Biologie des Menschen. (Lernmaterialien) 9783494012971, 3494012970 [PDF]

Zitiervorschau

Mörike/Betz/Mergenthaler

Biologie des Menschen Von Eberhard Betz, Klaus Reutter, Dieter Mecke und Horst Ritter

15. Auflage, korrigierter Nachdruck der 14., überarbeiteten und aktualisierten Auflage Mit 469 meist mehrfarbigen Abbildungen

Quelle & Meyer Verlag • Wiebelsheim

Prof. Dr. Eberhard Betz Physiologisches Institut I Gmelinstraße 5 D-72076 Tübingen

Prof. Dr. Klaus Reutter Anatomisches Institut Österbergstraße 3 D-72074 Tübingen

Prof. Dr. Dieter Mecke Physiologisch-Chemisches Institut Hoppe-Seyler-Straße 4 D-72076 Tübingen

Prof. Dr. Dr. Horst Ritter Institut für Anthropologie und Humangenetik Wilhelmstraße 27 D-72074 Tübingen

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Biologie des Menschen / Mörike/Betz/Mergenthaler. Von Eberhard Betz ... [Zeichn.: M. Nicolescu ; K. Reutter. Fotos: P.-M. Weber ; K. Reutter]. - 15., korr. Aufl. - Wiebelsheim : Quelle und Meyer, 2001 ISBN 3-494-01297-0

15., korrigierte Auflage 2001 © 1956, 2001 by Quelle & Meyer Verlag GmbH & Co., Wiebelsheim Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen auf fotomechanischem Wege (Fotokopie, Mikrokopie), Übersetzungen, Mikroverfilmungen sowie die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen und digitalen Systemen (CD-ROM, Internet). Zeichnungen: M. Nicolescu, K. Reutter, Tübingen Fotos: P.-M. Weber, K. Reutter, Tübingen Satz und Layout: Claudia Huber Druck und Verarbeitung: Druckerei zu Altenburg Printed in Germany/Imprimé en Allemagne ISBN 3-494-01297-0

V

Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 12. Auflage ............................................................................................................ XXI Vorwort zur 14. Auflage ............................................................................................................ XXII Der Mensch als Lebewesen ....................................................................................................... Die biologischen Forschungsmethoden am Menschen ........................................................... 1

1 1

Grundlagen

1.1

Morphologische Grundlagen: Die Zelle ................................................................

3

1.1.1 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.1.3 1.1.1.3.1 1.1.1.3.2 1.1.1.3.3 1.1.1.3.4 1.1.1.3.5 1.1.1.3.6 1.1.1.4 1.1.1.4.1 1.1.1.4.2 1.1.1.4.3 1.1.1.4.4 1.1.1.5

Cytoplasma ................................................................................................................ Hyaloplasma ............................................................................................................ Plasmalemm und Cytomembran ........................................................................... Zellorganellen .......................................................................................................... Mitochondrien ........................................................................................................ Ribosomen und endoplasmatisches Reticulum ..................................................... Golgi-Felder ............................................................................................................. Lysosomen ............................................................................................................... Peroxisomen ............................................................................................................ Vakuolen .................................................................................................................. Organellen des Cytoskeletts ................................................................................... Mikrotubuli ............................................................................................................. Mikrofilamente ........................................................................................................ Intermediäre Filamente ........................................................................................... Mikrotrabekel .......................................................................................................... Paraplasmatische Einschlüsse ..................................................................................

4 4 4 8 9 10 13 13 15 16 16 16 19 20 21 22

1.1.2 1.1.2.1 1.1.2.2 1.1.2.3 1.1.2.4

Zellkern, Nucleus ....................................................................................................... Kernmembran ......................................................................................................... Karyoplasma und Interphase-Chromosom ............................................................ Nucleolus ................................................................................................................. Mitose-Chromosom ................................................................................................

23 24 25 27 27

1.1.3 1.1.3.1 1.1.3.1.1 1.1.3.1.2 1.1.3.1.3 1.1.3.1.4 1.1.3.2

Lebenserscheinungen der Zelle ..................................................................................... Generationszyklus, Vermehrung, Alter und Tod der Zelle .................................... Generationszyklus ................................................................................................... Mitose ...................................................................................................................... Differentielle Zellteilung ......................................................................................... Meiose ...................................................................................................................... Regulation der Zellaktivität ....................................................................................

29 29 32 33 36 36 38

1.1.4

Zelltod .......................................................................................................................

40

1.2

Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie .................................

42

1.2.1

Maßsysteme ...............................................................................................................

42

VI

Inhalt

1.2.2 1.2.2.1 1.2.2.2 1.2.2.3

Transportprozesse ....................................................................................................... Passive Transportprozesse ....................................................................................... Aktive Transporte .................................................................................................... Entstehen elektrischer Erscheinungen bei Transportprozessen .............................

45 45 48 51

1.2.3

Ruhemembranpotential ...............................................................................................

57

1.2.4

Ionenpumpen .............................................................................................................

58

1.2.5

Vesikulärer Transport .................................................................................................

59

1.3

Biochemische Grundlagen ......................................................................................

60

1.3.1 1.3.1.1 1.3.1.2 1.3.1.3 1.3.1.4 1.3.1.5

Molekulare Bausteine der Zelle ................................................................................... Proteine und Aminosäuren ..................................................................................... Lipide ....................................................................................................................... Kohlenhydrate ......................................................................................................... Nucleinsäuren und Nucleotide ............................................................................... Mineralstoffe ...........................................................................................................

60 60 62 63 66 68

1.3.2

Biosynthese der Nucleinsäuren ....................................................................................

68

1.3.3

Genetischer Code und Biosynthese der Proteine ............................................................

70

1.3.4

Enzyme als Biokatalysatoren ......................................................................................

72

1.3.5 1.3.5.1 1.3.5.2 1.3.5.3 1.3.5.4

Stoffwechsel ................................................................................................................ Stoffwechsel der Glucose ........................................................................................ Biosynthese und Abbau von Fettsäuren ................................................................. Stoffwechsel der Stickstoffverbindungen ............................................................... Energiegewinnung und Atmung ............................................................................

74 74 77 77 78

1.3.6

Biochemische Mechanismen zur Funktionssteuerung von Zellen ...................................

80

1.4

Grundlagen der Humangenetik ..............................................................................

82

1.4.1 1.4.1.1 1.4.1.2 1.4.1.3

Chromosomen ............................................................................................................ X-Chromosom ......................................................................................................... Y-Chromosom (F-Körper) ...................................................................................... Zur Chromosomen-Nomenklatur ..........................................................................

82 83 83 85

1.4.2

Biochemischer Aufbau der Gene ..................................................................................

85

2

Gewebe

2.1

Gewebsdefinition und allgemeine Charakteristik der Gewebe .............................

87

2.2

Zellverbindungen ....................................................................................................

88

2.2.1 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3

Direkte Zellverbindungen ........................................................................................... Macula adhaerens oder Desmosom ....................................................................... Zonula occludens8 oder tight junction .................................................................. Nexus, Macula communicans oder gap junction ..................................................

88 88 90 90

2.2.2

Indirekte Zellverbindungen .........................................................................................

90

2.3

Interzellularräume und Interzellularsubstanzen ....................................................

90

2.4

Entwicklungszustand der Gewebe und Gewebsveränderungen ............................

91

2.5

Epithelgewebe .........................................................................................................

92

Inhalt

VII

2.5.1

Zellverband des Epithels .............................................................................................

93

2.5.2

Interzellularräume ......................................................................................................

94

2.5.3

Basalmembran ...........................................................................................................

95

2.5.4 2.5.4.1 2.5.4.2 2.5.4.3 2.5.4.4

Form und Oberflächengestaltung von Epithelzellen ....................................................... Mikrovilli ................................................................................................................. Stereocilien .............................................................................................................. Basale Faltenbildungen ........................................................................................... Kinocilien und Geißeln ..........................................................................................

96 97 98 98 98

2.5.5 2.5.5.1 2.5.5.2 2.5.5.3 2.5.5.4

Klassifizierung der Epithelien ...................................................................................... 98 Oberflächen- oder Deckepithelien ......................................................................... 98 Drüsenepithelien ..................................................................................................... 102 Sinnesepithelien ...................................................................................................... 106 Myoepithelien ......................................................................................................... 106

2.6

Binde- und Stützgewebe ......................................................................................... 106

2.6.1

Stammgewebe: Mesenchym ......................................................................................... 107

2.6.2 2.6.2.1 2.6.2.2 2.6.2.3 2.6.2.3.1 2.6.2.3.2 2.6.2.3.3 2.6.2.4

Bindegewebe .............................................................................................................. Freie Bindegewebszellen ......................................................................................... Verband der fixen Bindegewebszellen .................................................................... Interzellularräume mit Interzellularsubstanz ......................................................... Grundsubstanzen .................................................................................................... Bindegewebsfasern .................................................................................................. Bildung von Bindegewebsfasern (Fibrillogenese) .................................................. Klassifizierung der Bindegewebe ............................................................................

108 108 110 111 111 113 116 120

2.6.3 2.6.3.1 2.6.3.2 2.6.3.2.1 2.6.3.2.2 2.6.3.2.3 2.6.3.3 2.6.3.3.1 2.6.3.3.2 2.6.3.3.3 2.6.3.3.4 2.6.3.3.5

Stützgewebe ............................................................................................................... Chordagewebe ......................................................................................................... Knorpelgewebe ........................................................................................................ Hyaliner Knorpel .................................................................................................... Elastischer Knorpel ................................................................................................. Faserknorpel ............................................................................................................ Knochengewebe ....................................................................................................... Interzellularsubstanz des Knochengewebes ........................................................... Osteocyten ............................................................................................................... Bildung des Knochengewebes ................................................................................. Erwachsenes Knochengewebe und erwachsener Knochen .................................... Funktionelle Struktur des erwachsenen Knochens ................................................

121 121 122 122 125 125 125 125 126 128 130 132

2.7

Nervengewebe ......................................................................................................... 134

2.7.1 2.7.1.1 2.7.1.2 2.7.1.3 2.7.1.3.1 2.7.1.4

Nervenzellen .............................................................................................................. Bau der Nervenzelle ................................................................................................ Klassifikation der Nervenzellen .............................................................................. Synapsen .................................................................................................................. Bau der chemischen Synapse .................................................................................. Nervenfasern, Nerven und Tractus .........................................................................

2.7.2 2.7.2.1 2.7.2.2

Glia ........................................................................................................................... 149 Glia des zentralen Nervengewebes ......................................................................... 149 Glia des peripheren Nervengewebes ....................................................................... 151

2.7.3

Regeneration des Nervengewebes ................................................................................. 152

2.7.4

Erregung .................................................................................................................... 153

135 135 139 140 142 144

VIII Inhalt

2.7.5

Lokale Antwort und Aktionspotential ......................................................................... 154

2.7.6 2.7.6.1 2.7.6.2

Funktionen von Nervenzellen ..................................................................................... 156 Künstliche Reizung von Nerven ............................................................................. 157 Erregungsleitung von Aktionspotentialen .............................................................. 160

2.7.7

Erregungsübertragung ................................................................................................. 165

2.7.8

Schaltkreise ................................................................................................................ 174

2.8

Muskelgewebe ......................................................................................................... 175

2.8.1

Glatte Muskulatur ..................................................................................................... 176

2.8.2

Herzmuskulatur ......................................................................................................... 181

2.8.3 2.8.3.1 2.8.3.2 2.8.3.3 2.8.3.4 2.8.3.5

Skelettmuskulatur ....................................................................................................... Bau der Muskelfaser ................................................................................................ Neuromuskuläre Erregungsübertragung ................................................................. Muskelkontraktion .................................................................................................. Energetik .................................................................................................................. Allgemeiner Bau der Skelettmuskulatur und ihre Mechanik ................................

3

181 181 188 188 190 196

Bewegungsapparat

3.1

Knochenverbindungen und Gelenke ..................................................................... 203

3.1.1

Gelenkformen ............................................................................................................. 204

3.1.2

Zusammenhalt der Gelenke ......................................................................................... 205

3.1.3

Gelenkschädigungen ................................................................................................... 206

3.2

Bewegungsapparat des Rumpfes ............................................................................. 206

3.2.1 3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.1.3 3.2.1.4

Wirbelsäule ................................................................................................................ Grundform des Wirbels .......................................................................................... Gliederung der Wirbelsäule und Wirbelformen .................................................... Gelenkverbindungen der Wirbelsäule .................................................................... Form der Wirbelsäule ..............................................................................................

3.2.2

Brustkorb .................................................................................................................. 213

3.2.3 3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.3.3

Becken ....................................................................................................................... Beckenknochen ........................................................................................................ Gelenkverbindungen ............................................................................................... Beckeninnenraum ...................................................................................................

215 215 216 217

3.2.4 3.2.4.1 3.2.4.2 3.2.4.3

Rumpfmuskulatur ...................................................................................................... Rückenstreckmuskulatur ......................................................................................... Brustwandmuskeln .................................................................................................. Bauchwandmuskeln ................................................................................................

218 218 222 222

3.2.5

Rumpfhaltung ............................................................................................................ 225

3.2.6

Beckenboden .............................................................................................................. 226

3.3

Bewegungsapparat der oberen Gliedmaßen ........................................................... 226

3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2

Schultergürtel – Oberarmbereich .................................................................................. 226 Knochen und Gelenke ............................................................................................ 226 Muskeln ................................................................................................................... 228

206 207 208 210 212

Inhalt

IX

3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2

Ellbogenbereich ........................................................................................................... 231 Knochen und Gelenke ............................................................................................ 231 Muskeln ................................................................................................................... 233

3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2

Handwurzel und Hand .............................................................................................. 234 Knochen und Gelenke ............................................................................................ 234 Muskeln ................................................................................................................... 235

3.4

Bewegungsapparat der unteren Gliedmaßen ......................................................... 237

3.4.1 3.4.1.1 3.4.1.2

Bereich der Hüfte ........................................................................................................ 237 Knochen und Gelenk .............................................................................................. 237 Muskeln ................................................................................................................... 239

3.4.2 3.4.2.1 3.4.2.2

Kniebereich ................................................................................................................ 241 Knochen und Gelenk .............................................................................................. 241 Muskeln ................................................................................................................... 243

3.4.3 3.4.3.1 3.4.3.2

Bereich von Unterschenkel und Fuß ............................................................................. 245 Knochen, Gelenke und Fußwölbung ..................................................................... 245 Muskeln ................................................................................................................... 250

3.5

Skelett und Bewegungsapparat des Kopfes ............................................................ 251

3.5.1

Schädelknochen .......................................................................................................... 251

3.5.2

Muskeln (ohne Kaumuskeln) ....................................................................................... 257

4

Blut

4.1

Geformte Bestandteile des Blutes ........................................................................... 260

4.1.1

Rote Blutkörperchen (Erythrocyten) ............................................................................. 260

4.1.2 4.1.2.1 4.1.2.2 4.1.2.3

Weiße Blutkörperchen (Leukocyten) ............................................................................. Granulocyten ........................................................................................................... Monocyten .............................................................................................................. Lymphocyten ...........................................................................................................

4.1.3

Blutplättchen (Thrombocyten) ..................................................................................... 268

4.2

Blutbildung .............................................................................................................. 268

4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3 4.2.1.4 4.2.1.5

Blutbildung im Knochenmark ..................................................................................... Erythropoese ............................................................................................................ Granulopoese .......................................................................................................... Lymphopoese .......................................................................................................... Monocytopoese ....................................................................................................... Thrombopoese ........................................................................................................

4.3

Blutplasma und Serum ........................................................................................... 273

4.4

Gastransport und Pufferung des Blutes .................................................................. 276

4.4.1

Hämoglobin ............................................................................................................... 276

4.4.2

Sauerstofftransport im Blut ......................................................................................... 277

4.4.3

CO2-Transport und die Pufferung des Blutes ................................................................ 280

4.5

Blutgerinnung .......................................................................................................... 281

262 264 266 266

269 269 270 272 272 272

X

Inhalt

4.5.1

Mechanismen der Blutgerinnung ................................................................................. 282

4.6

Biologische Abwehrsysteme .................................................................................... 286

4.6.1

Spezifische Immunität ................................................................................................ 287

4.6.2

Blutgruppen ............................................................................................................... 288

4.6.3

Struktur der Antikörper .............................................................................................. 289

4.6.4 4.6.4.1 4.6.4.2

Zelluläre Elemente des Immunsystems .......................................................................... 292 Funktionen der Lymphocyten ................................................................................ 292 Erkrankungen des Immunsystems .......................................................................... 294

4.6.5

Mechanismen der spezifischen Immunität .................................................................... 294

4.6.6

Unspezifische Abwehrsysteme ...................................................................................... 296

5

Blutkreislauf und Kreislaufsorgane

5.1

Herz ......................................................................................................................... 297

5.1.1

Form und Lage des Herzens ........................................................................................ 297

5.1.2 5.1.2.1 5.1.2.2 5.1.2.3 5.1.2.4 5.1.2.5 5.1.2.6

Aufbau des Herzens ................................................................................................... Außenansicht ........................................................................................................... Innenräume und Klappensysteme .......................................................................... Herzinnenwand (Endocard) .................................................................................... Herzskelett ............................................................................................................... Herzmuskulatur ....................................................................................................... Herzbeutel ...............................................................................................................

5.1.3

Mechanik der Herzaktion ........................................................................................... 305

5.1.4 5.1.4.1

Herzarbeit ................................................................................................................. 306 Anpassung der Förderleistung an wechselnde Belastung ...................................... 308

5.1.5 5.1.5.1 5.1.5.2 5.1.5.3

Erregungsleitungssystem, Erregung und Kontraktion des Herzmuskels ........................... 11 Erregungsleitungssystem ......................................................................................... 311 Erregung .................................................................................................................. 313 Elektrokardiogramm (EKG) .................................................................................... 315

5.1.6

Herznerven ................................................................................................................ 317

5.1.7

Blutversorgung des Herzens ........................................................................................ 318

5.2

Blutgefäße ................................................................................................................ 321

5.2.1

Arterien ..................................................................................................................... 321

5.2.2 5.2.2.1 5.2.2.2 5.2.2.3 5.2.2.4 5.2.2.5 5.2.2.6

Blutdruck, Blutströmung und Gefäßwiderstand ........................................................... Blutdruck ................................................................................................................. Blutströmung ........................................................................................................... Gefäßwiderstand ...................................................................................................... Regelung des arteriellen Blutdrucks ........................................................................ Regulation des Blutvolumens ................................................................................. Gefäßwandversorgung – Schäden und Störungen .................................................

5.2.3

Lungenkreislauf ......................................................................................................... 335

5.2.4

Kapillaren ................................................................................................................. 336

299 299 300 301 302 302 304

324 324 327 328 332 333 334

Inhalt

XI

5.2.5

Stoffaustausch ............................................................................................................ 337

5.2.6

Arteriovenöse Anastomosen ........................................................................................ 338

5.2.7

Venen ........................................................................................................................ 339

5.2.8

Wichtige Gefäße des Körpers ....................................................................................... 341

6

Lymphsystem und lymphatische Organ

6.1

Lymphsystem ........................................................................................................... 345

6.1.1

Lymphe ...................................................................................................................... 345

6.1.2

Lymphgefäße .............................................................................................................. 345

6.2

Lymphatische Organe ............................................................................................. 347

6.2.1

Lymphknoten ............................................................................................................. 347

6.2.2

Milz .......................................................................................................................... 351

6.2.3

Mandeln .................................................................................................................... 353

6.2.4

Thymus ..................................................................................................................... 354

6.2.5

Entzündung ............................................................................................................... 356

7

Atmungsapparat und Gaswechsel

7.1

Luftwege .................................................................................................................. 357

7.1.1

Nase .......................................................................................................................... 357

7.1.2 7.1.2.1 7.1.2.2

Kehlkopf und Stimmbildung ....................................................................................... 361 Kehlkopf .................................................................................................................. 361 Stimmbildung ......................................................................................................... 363

7.1.3

Luftröhre ................................................................................................................... 366

7.1.4

Entwicklung von Kehlkopf, Luftröhre und Lunge ........................................................ 366

7.2

Lungen ..................................................................................................................... 369

7.2.1

Form und Lage der Lungen ......................................................................................... 369

7.2.2

Innerer Bau der Lungen .............................................................................................. 369

7.2.3

Krankheiten der Lunge ............................................................................................... 370

7.2.4

Brustfell ..................................................................................................................... 371

7.2.5

Unterdruck ................................................................................................................. 372

7.3

Atmung .................................................................................................................... 373

7.3.1 7.3.1.1 7.3.1.2

Atemmechanik ........................................................................................................... 373 Zwerchfell und Atembewegungen .......................................................................... 373 Atemgrößen ............................................................................................................. 376

7.3.2

Gasaustausch in der Lunge ......................................................................................... 379

7.3.3

Regulation der Atmung .............................................................................................. 381

XII

Inhalt

8

Ernährung und Verdauung

8.1

Ernährung und Nahrung ........................................................................................ 387

8.1.1 8.1.1.1 8.1.1.2 8.1.1.3 8.1.1.4 8.1.1.5

Nährstoffe .................................................................................................................. Eiweiße (Proteine) ................................................................................................... Kohlenhydrate ......................................................................................................... Fette ......................................................................................................................... Lipide ....................................................................................................................... Normalkost ..............................................................................................................

387 388 389 389 390 390

8.1.2 8.1.2.1 8.1.2.2 8.1.2.3 8.1.2.4 8.1.2.5 8.1.2.6

Vitamine ................................................................................................................... B-Vitamine ............................................................................................................... Vitamin C ................................................................................................................ Vitamin A ................................................................................................................ Vitamin D ................................................................................................................ Vitamin E ................................................................................................................ Vitamin K ................................................................................................................

390 392 393 393 394 395 395

8.1.3

Anorganische Bestandteile .......................................................................................... 395

8.2

Verdauungsorgane und Verdauung ......................................................................... 397

8.2.1 8.2.1.1 8.2.1.2 8.2.1.3 8.2.1.4 8.2.1.5 8.2.1.6 8.2.1.7 8.2.1.8

Kauapparat und Mundhöhle ...................................................................................... Bau und Befestigung der Zähne ............................................................................. Gebiß ....................................................................................................................... Entwicklung der Zähne ........................................................................................... Kiefergelenk und Kaubewegungen ......................................................................... Wandung der Mundhöhle ...................................................................................... Zunge ....................................................................................................................... Speicheldrüsen und Speichel .................................................................................. Schlundenge, Rachen und Schluckvorgang ...........................................................

397 397 399 402 404 406 406 409 412

8.2.2 8.2.2.1 8.2.2.2 8.2.2.3 8.2.2.4 8.2.2.5 8.2.2.6 8.2.2.7 8.2.2.8

Darmsystem und Bauchhöhle ...................................................................................... Entwicklung und Lageverhältnisse ......................................................................... Speiseröhre .............................................................................................................. Magen ...................................................................................................................... Dünndarm ............................................................................................................... Bauchspeicheldrüse ................................................................................................. Leber ........................................................................................................................ Verdauung im Dünndarm ....................................................................................... Dickdarm, Blinddarm und Wurmfortsatz ..............................................................

415 415 420 420 428 430 431 436 439

9

Energiehaushalt, Arbeit und Training

9.1

Energieumsatz ......................................................................................................... 445

9.2

Formen körperlicher Arbeit .................................................................................... 445

9.2.1

Statische Arbeit .......................................................................................................... 447

9.2.2

Dynamische Arbeit ..................................................................................................... 447

9.2.3

Leistungsgrenzen ........................................................................................................ 451

9.2.4

Körperliches Training .................................................................................................. 451

Inhalt XIII

10

Wärmehaushalt

10.1

Wärmebildung und Wärmeabgabe ....................................................................... 457

10.2

Regelung der Körpertemperatur ............................................................................. 460

11

Wasser- und Salzhaushalt

11.1

Wasserhaushalt ........................................................................................................ 465

11.2

Ionenhaushalt .......................................................................................................... 466

12

Harnorgane und Harnbildung

12.1

Nieren ...................................................................................................................... 469

12.1.1 12.1.1.1 12.1.1.2 12.1.1.3

Form, Lage und Bau .................................................................................................. Form und Lage ........................................................................................................ Gliederung ............................................................................................................... Feinbau ....................................................................................................................

12.1.2 12.1.2.1 12.1.2.2

Harnbildung .............................................................................................................. 476 Orte und Mechanismen der Stofftransporte im Tubulussystem ........................... 478 Transportkapazität der Resorption ......................................................................... 482

12.1.3

Regulation des Säure-Basen-Haushalts ........................................................................ 485

12.1.4

Juxtaglomerulärer Apparat ......................................................................................... 487

12.1.5

Endokrine Funktionen ............................................................................................... 489

12.1.6

Endharn .................................................................................................................... 489

12.2

Ableitende Harnwege .............................................................................................. 490

13

469 469 469 472

Haut und Hautfunktionen

13.1

Haut ......................................................................................................................... 495

13.1.1

Unterhautgewebe ........................................................................................................ 495

13.1.2

Lederhaut .................................................................................................................. 496

13.1.3

Oberhaut ................................................................................................................... 498

13.1.4

Haare ........................................................................................................................ 499

13.1.5

Nägel ........................................................................................................................ 500

13.2

Drüsen der Haut ..................................................................................................... 501

13.2.1

Talgdrüsen ................................................................................................................. 501

13.2.2

Schweißdrüsen ........................................................................................................... 501

13.2.3

Duftdrüsen ................................................................................................................. 501

13.2.4

Milchdrüse ................................................................................................................. 502

XIV Inhalt

14

Sinnesorgane und Reizaufnahme

14.1

Sinnesmannigfaltigkeit und Sinnesdimensionen ................................................... 505

14.1.1

Sinnestheorie .............................................................................................................. 505

14.1.2

Wahrnehmung ........................................................................................................... 505

14.1.3 14.1.3.1 14.1.3.2 14.1.3.3 14.1.3.4

Sinnesmannigfaltigkeit ............................................................................................... Sinnesqualität .......................................................................................................... Intensität .................................................................................................................. Zeitlichkeit ............................................................................................................... Räumlichkeit ...........................................................................................................

14.2

Sinneserlebnis und Organprozeß ........................................................................... 508

14.3

Sinnessensoren (Rezeptoren) .................................................................................. 511

14.3.1

Informationsaufnahme und -verarbeitung ................................................................... 515

14.4

Sogenannte niedere Sinne ...................................................................................... 516

14.4.1

Sensoren .................................................................................................................... 516

14.4.2 14.4.2.1 14.4.2.2 14.4.2.3

Funktionen der Hautsinne .......................................................................................... Mechanische Hautsinne .......................................................................................... Schmerz und Nocizeption ...................................................................................... Temperatur-Rezeption .............................................................................................

14.5

Geruchssinn ............................................................................................................. 525

14.6

Geschmackssinn ...................................................................................................... 527

14.7

Ohr ........................................................................................................................... 529

14.7.1 14.7.1.1 14.7.1.2

Lage- und Bewegungssinnesorgan ............................................................................... 529 Innenohr .................................................................................................................. 529 Vestibularapparat ..................................................................................................... 532

14.7.2 14.7.2.1 14.7.2.2 14.7.2.3 14.7.2.4

Gehörorgan ................................................................................................................ Außenohr ................................................................................................................. Mittelohr ................................................................................................................. Schnecke .................................................................................................................. Hören .......................................................................................................................

14.8

Auge ......................................................................................................................... 551

14.8.1

Äußere Augenhaut ..................................................................................................... 553

14.8.2

Mittlere Augenhaut .................................................................................................... 553

14.8.3

Linse, Glaskörper und Augenkammern ...................................................................... 556

14.8.4

Innere Augenhaut ...................................................................................................... 557

14.8.5

Bilderzeugung und Akkommodation ........................................................................... 560

14.8.6 14.8.6.1 14.8.6.2 14.8.6.3 14.8.6.4 14.8.6.5

Leistung der Netzhaut ................................................................................................ Mechanismus der Photorezeption .......................................................................... Farbensehen ............................................................................................................. Weiterverarbeitung der Lichtsignale ....................................................................... Hell-Dunkel-Anpassung .......................................................................................... Flimmern und Verschmelzung ...............................................................................

506 506 506 507 507

519 520 520 524

536 536 537 539 542

563 564 566 567 570 571

Inhalt

XV

14.8.6.6

Sehschärfe ................................................................................................................ 572

14.8.7

Blicken und Bewegungswahrnehmung ......................................................................... 573

14.8.8

Gesichtsfeld und Blickfeld ............................................................................................ 575

14.8.9

Binokulares Sehen ...................................................................................................... 575

14.8.10

Hilfsapparat der Augen .............................................................................................. 577

15

Nervensystem

15.1

Gliederung, Entwicklung und Bau ......................................................................... 583

15.1.1

Allgemeine anatomische Gliederung und Erregungsverarbeitung ................................... 583

15.1.2 15.1.2.1 15.1.2.2

Entwicklung des Zentralnervensystems ........................................................................ 584 Rückenmark ............................................................................................................. 586 Gehirnabschnitte ..................................................................................................... 586

15.1.3

Lage und Hüllen von Gehirn und Rückenmark ............................................................ 588

15.1.4

Hirnrückenmarksflüssigkeit ........................................................................................ 590

15.2

Rückenmark ............................................................................................................. 591

15.2.1

Form und Lage .......................................................................................................... 591

15.2.2 15.2.2.1

Periphere Rückenmarksnerven = Spinalnerven ............................................................. 594 Nervenstörungen und Krankheiten ........................................................................ 596

15.3

Hirnstamm .............................................................................................................. 596

15.3.1

Äußere Gestalt ........................................................................................................... 596

15.3.2

Hirnnerven ................................................................................................................ 600

15.3.3

Innerer Bau von Rauten- und Mittelhirn .................................................................... 602

15.3.4

Zwischenhirn und Basalganglien des Endhirns ............................................................ 603

15.4

Kleinhirn .................................................................................................................. 604

15.5

Großhirn .................................................................................................................. 606

15.5.1

Großhirnrinde ............................................................................................................ 607

15.5.2

Großhirnmark und Faserverbindungen der Großhirnrinde ........................................... 612

15.5.3

Blutversorgung des Gehirns ........................................................................................ 612

15.5.4

Untersuchungsmethoden zur Beurteilung der Gehirnfunktionen .................................... 613

15.6

Sensorische Systeme ................................................................................................ 617

15.6.1

Hinterhorn ................................................................................................................ 617

15.6.2

Aufsteigende Leitungsbahnen ...................................................................................... 618

15.6.3

Thalamus .................................................................................................................. 621

15.6.4 15.6.4.1 15.6.4.2 15.6.4.3

Sensible und sensorische Rindenfelder .......................................................................... Sensibilitätsfelder .................................................................................................... Optischer Bereich .................................................................................................... Akustischer Bereich und Gleichgewichtssinn .........................................................

624 625 627 631

XVI Inhalt

15.6.4.4

Riechen und Schmecken ......................................................................................... 634

15.7

Motorische Systeme ................................................................................................ 634

15.7.1 15.7.1.1 15.7.1.2

Meßeinrichtungen der Muskulatur .............................................................................. 635 Muskelspindeln ....................................................................................................... 635 Sehnenorgane .......................................................................................................... 639

15.7.2

Reflexe ....................................................................................................................... 640

15.7.3

Absteigende Leitungsbahnen ....................................................................................... 644

15.7.4

Koordinationssysteme im Hirnstamm ......................................................................... 649

15.7.5

Kleinhirnfunktionen ................................................................................................... 654

15.7.6

Motorische Großhirnrindenfelder ................................................................................ 658

15.7.7

Subcorticale Gehirnregionen und Motorik ................................................................... 660

15.7.8

Bewegungsplan, Handlungsantrieb und Bewegungsausführung .................................... 663

15.7.9

Hirnschädigungen ...................................................................................................... 665

15.8

Vegetatives Nervensystem (VNS) ............................................................................ 666

15.8.1

Sympathicus .............................................................................................................. 667

15.8.2

Parasympathicus ........................................................................................................ 670

15.8.3 15.8.3.1 15.8.3.2 15.8.3.3

Rezeption, Erregung und Wirkung im peripheren vegetativen Nervensystem .................. Rezeptorische (sensorische) Fasern ......................................................................... Erregungsübertragung ............................................................................................ Wirkungen des vegetativen Nervensystems ...........................................................

15.8.4

Zentraler Abschnitt des vegetativen Nervensystems .............................................. 676

15.9

Beziehungen des Nervensystems zu seelisch-geistigen Funktionen und zum Verhalten ......................................................................................................... 682

15.9.1

Limbisches System ...................................................................................................... 682

15.9.2

Verhaltensphysiologische Aspekte ................................................................................. 684

15.9.3

Sprache, Lernen und Gedächtnis ................................................................................. 686

15.9.4

Funktionssysteme und Transmitter ............................................................................... 694

15.9.5

Bewußtsein und Schlaf ............................................................................................... 695

16

670 670 671 675

Hormone und endokrine Drüsen

16.1

Hormonbegriff und Hormonwirkung .................................................................... 699

16.1.1

Wirkungsprinzipien von Hormonen ............................................................................ 699

16.1.2

Gewebshormone ......................................................................................................... 702

16.1.3

Drüsenhormone ......................................................................................................... 703

16.2

Hypophyse oder Hirnanhangdrüse ........................................................................ 705

16.2.1

Hypothalamus-Hypophysen-System ............................................................................. 706

16.2.2

Hypophysenhinterlappen ............................................................................................ 708

Inhalt XVII

16.2.3

Zwischenzone ............................................................................................................. 709

16.2.4

Hypophysenvorderlappen ............................................................................................ 709

16.3

Schilddrüse .............................................................................................................. 711

16.4

Epithelkörperchen ................................................................................................... 716

16.5

Thymus .................................................................................................................... 717

16.6

Epiphyse oder Zirbel ............................................................................................... 717

16.7

Nebennieren ............................................................................................................ 718

16.7.1

Nebennierenrinde ....................................................................................................... 718

16.7.2

Nebennierenmark ....................................................................................................... 722

16.8

Inselorgan der Bauchspeicheldrüse ......................................................................... 724

16.9

Geschlechtshormone ............................................................................................... 726

17

Fortpflanzungsorgane

17.1

Entwicklung der Fortpflanzungsorgane .................................................................. 727

17.2

Männliche Geschlechtsorgane ................................................................................ 727

17.2.1 17.2.1.1 17.2.1.2

Hoden ....................................................................................................................... 727 Männliche Geschlechtshormone ............................................................................ 728 Samenreifung .......................................................................................................... 731

17.2.2

Nebenhoden, Samenleiter, Samenblase und Vorsteherdrüse ........................................... 733

17.2.3

Harnsamenröhre und Glied ........................................................................................ 737

17.2.4

Sperma ...................................................................................................................... 738

17.3

Weibliche Geschlechtsorgane .................................................................................. 739

17.3.1 17.3.1.1

Eierstöcke ..................................................................................................................... 739 Eizellreifung und Entwicklung der Follikel ........................................................... 739

17.3.2

Eileiter ....................................................................................................................... 745

17.3.3 17.3.3.1

Gebärmutter .............................................................................................................. 746 Endometrium und Menstruation ........................................................................... 748

17.3.4

Scheide ....................................................................................................................... 750

17.4

Kohabitation ............................................................................................................ 752

18

Entwicklung des Menschen

18.1

Genetik .................................................................................................................... 753

18.1.1 18.1.1.1 18.1.1.2 18.1.1.3 18.1.1.4

Formale Genetik ......................................................................................................... Ein Gen – ein Merkmal .......................................................................................... Ein Gen – eine Polypeptidkette .............................................................................. Koppelung und Crossover ...................................................................................... Molekulare Genetik .................................................................................................

753 753 754 756 756

XVIII Inhalt

18.1.1.4.1 Molekulare Struktur der Gene ................................................................................ 758 18.1.1.5 Oncogene ................................................................................................................ 760 18.1.1.6 Mitochondriale Vererbung ...................................................................................... 760 18.1.2

Zwillinge ................................................................................................................... 761

18.1.3 18.1.3.1 18.1.3.2 18.1.3.3 18.1.3.4 18.1.3.5 18.1.3.5.1 18.1.3.5.2 18.1.3.6 18.1.3.7 18.1.3.8

Mutationen ............................................................................................................... Numerische Chromosomenaberrationen ............................................................... Strukturelle Chromosomenanomalien ................................................................... Deletionen – nichtbalancierte Translokationen ..................................................... Insertion ................................................................................................................... Crossover ................................................................................................................. Homologes, inäquales Crossover ........................................................................... Nichthomologes Crossover .................................................................................... Genmutationen ....................................................................................................... Unterschiedliche Bedeutung einzelner Dinucleotide in Mutation und Selektion . Mutationsrate ..........................................................................................................

762 762 764 765 766 766 766 767 769 770 770

18.1.4 18.1.4.1 18.1.4.2 18.1.4.3 18.1.4.4 18.1.4.6 18.1.4.7 18.1.4.8 18.1.4.9

Genwirkung ............................................................................................................... Penetranz und Expressivität .................................................................................... Gendosiseffekt beim X-Chromosom ...................................................................... Genom-Imprinting .................................................................................................. Einzel-Gen-Expression ............................................................................................ Uniparentale Disomie ............................................................................................. Dynamische Mutationen, Problem der genetischen Antizipation ....................... Phänogenetische Heterogenität .............................................................................. Pharmakogenetik .....................................................................................................

771 771 771 772 773 773 773 774 775

18.1.5 18.1.5.1 18.1.5.2 18.1.5.3 18.1.5.4 18.1.5.5 18.1.5.6

Populationsgenetik ..................................................................................................... Genetische Variabilität ............................................................................................ Hardy-Weinberg-GIeichgewicht .............................................................................. Selektion ................................................................................................................ Selektionsstatistik .................................................................................................... Selektionsmodelle ................................................................................................... Isolation ...................................................................................................................

776 776 776 777 777 778 785

18.2

Befruchtung ............................................................................................................. 788

18.3

Embryonalentwicklung und fetale Hilfsorgane ..................................................... 789

18.3.1

Embryonalentwicklung ............................................................................................... 789

18.3.2

Mutterkuchen ............................................................................................................ 792

18.3.3

Zwillings- und Mehrfachbildungen .............................................................................. 796

18.4

Ausbildung des Körpers bis zur Geburt ................................................................. 797

18.4.1

Entwicklung der äußeren Körperform .......................................................................... 797

18.4.2

Gesichtsentwicklung .................................................................................................... 798

18.4.3

Entwicklung des Herzens und der Gefäße ..................................................................... 799

18.4.4

Fetaler Blutkreislauf ................................................................................................... 801

18.4.5

Mißbildungen ............................................................................................................ 801

18.5

Geburt ...................................................................................................................... 803

18.6

Körperentwicklung des Menschen nach der Geburt .............................................. 804

18.7

Alter und Tod .......................................................................................................... 805

Inhalt

19

XIX

Weiterführendes Schrifttum

19.1

Allgemeine Literatur und Werke, die zu mehreren Kapiteln gehören .................. 807

19.2

Literatur zu einzelnen Kapiteln .............................................................................. 809

20

Register

Verzeichnis der Farbtafeln 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: 11: 12: 13: 14: 15: 16:

Binde- und Stützgewebe .................................................................................................. Nervenzell-Formen .......................................................................................................... Oberflächliche Muskeln des Körpers (Ventralansicht) ................................................... Oberflächliche Muskeln des Körpers (Dorsalansicht) .................................................... Korpuskeln des menschlichen Blutes ............................................................................. Blutzellbildung im Knochenmark und Korpuskeln des Blutes ..................................... Eingeweideprojektion beim Mann von vorne ............................................................... Eingeweideprojektion beim Mann von hinten .............................................................. Eingeweideprojektion bei der Frau von rechts, beim Mann von links gesehen ........... Vergleichsabbildung: Kernspin-Tomographie des Rumpfes einer Frau ......................... Blut- und Lymphgefäße .................................................................................................. Zahnentwicklung und Einbau des Zahns ....................................................................... Verdauungstrakt ............................................................................................................... Harnorgane ...................................................................................................................... Sinnesorgane .................................................................................................................... Endokrine Drüsen ........................................................................................................... Geschlechtsorgane ...........................................................................................................

109 137 220 221 267 271 319 320 322 323 329 401 443 477 549 707 729

XXI

Vorwort zur 12. Auflage Die Biologie des Menschen wird selten in übersichtlicher Form geschlossen dargestellt. Das Lehrbuch Biologie des Menschen versucht eine allgemeinverständliche Darstellung, zu deren Verständnis außer Schulkenntnissen in Physik, Chemie und Biologie keine weiteren Voraussetzungen erforderlich sind. Die vorliegende 12. Auflage des Buches Biologie des Menschen ist eine vollständige Neubearbeitung des erfolgreichen Lehrbuchs, in welchem die Gebiete Anatomie und Physiologie des Menschen so verzahnt waren, daß eine einheitliche Darstellung resultierte. Die Neuauflage behält die Einheitlichkeit weitgehend bei, ergänzt aber den bisherigen Rahmen durch Hereinnahme der Gebiete Humangenetik und Biochemie. Diese Erweiterung kommt dem Wunsch zahlreicher Benutzer entgegen, eine umfassende Darstellung der Humanbiologie zu haben. Auch in der Neubearbeitung sind die einzelnen Kapitel so aufeinander abgestimmt, daß die Einheitlichkeit des Buches gewahrt bleibt. Die Autoren sind der Physiologe E. BETZ, der Anatom K. REUTTER, der Biochemiker D. MECKE und der Humangenetiker H. RITTER. Einführende Kapitel behandeln Grundlagen der Morphologie, Biophysik, Biochemie und Genetik, deren Kenntnis Voraussetzung zum Verständnis der spezifischen humanbiologischen Bereiche ist. Die Gliederung des Buches geschieht zwar vorzugsweise entsprechend der konventionellen Einteilung nach Organen und Organgebieten, wobei Anatomie und Funktionen zusammen abgehandelt werden, jedoch sind bei einzelnen Kapiteln größere Abschnitte übergreifenden Betrachtungen gewidmet, z. B. der allgemeinen Sinnesphysiologie oder den immunologischen Reaktionen. Auch derartige Kapitel sind so in den Zusammenhang gebracht, daß eine durchgängige Darstellung des Gesamtbereichs möglich bleibt. Das Buch wendet sich an alle diejenigen, die einen Überblick über die Humanbiologie anstreben. Es dürfte für Studenten der Fächer Biologie, Psychologie und Pharmazie genauso seinen

Zweck erfüllen wie für die zahlreichen medizinischen Berufe, die eine breite humanbiologische Grundlage benötigen. Wir hoffen, daß wie bisher die Biologielehrer gern zu diesem Buch greifen werden, wenn es um das Verständnis von Funktionszusammenhängen auf humanbiologischem Gebiet geht. Auch für Medizinstudenten bietet die Biologie des Menschen eine leicht verständliche Einführung in die Zusammenhänge von Anatomie, Physiologie, Biochemie und Genetik. Durch die Integration von zwei zusätzlichen Fächern ist das Buch etwas umfangreicher geworden, hat aber, wie wir meinen, seine Übersichtlichkeit behalten. Dank gebührt allen, die bei der Vorbereitung und Herstellung des Buches mitwirkten. Dies sind zunächst unsere Mitarbeiter an den Instituten. Besonders genannt seien Herr M. NICOLESCU, wissenschaftlicher Zeichner am Anatomischen Institut, der eine große Zahl der Zeichnungen neu ausgeführt oder überarbeitet hat, und Herr P.-M. WEBER, bis vor kurzem Photograph am Anatomischen Institut, der umfangreiche Photoarbeiten erledigte. Ein hohes Maß an koordinierender Sekretariatsarbeit hat Frau C. FAUST geleistet. Herr Prof. Dr. G. FICHTNER vom Institut für Geschichte der Medizin hat uns bei der Programmierung und Herstellung des Sachverzeichnisses geholfen. Die umfangreiche Arbeit des Lektorats hat Frau C. HUBER mit großer Einfühlung in die komplexen Aspekte der Biologie des Menschen vorbildlich bewältigt. Mit besonderem Dank an den Verlag Quelle & Meyer und seinen Geschäftsführer Herrn G. STAHL für die bereitwillige und verständnisvolle Unterstützung übergeben wir die Einführung in die Biologie des Menschen dem Kreis unserer Leser und hoffen, daß diese – wie bisher – mit kritischen Anregungen den Autoren Ansporn für die Weiterarbeit sein werden. Tübingen, November 1988 Die Verfasser

XXII

Vorwort zur 14. Auflage Neue Schwerpunktsetzungen erforderten eine vollständige Überarbeitung des Lehrbuchs Biologie des Menschen. Die schnellen Fortschritte vor allem in der Molekularbiologie und Genetik haben in vielen Bereichen der Biologie zu veränderten Sichtweisen auf das Gesamtgebiet geführt, was in der neuen Auflage gebührend berücksichtigt wird. Es wurde aber die bewährte Gliederung des Ganzen beibehalten. Morphologie, Physiologie, Biochemie und Genetik unter Einbeziehung der Entwicklungsgeschichte sind dabei gleichsam als Knoten des Lebensnetzes aufzufassen, von denen aus Hauptstränge im komplizierten Maschenwerk des Menschenlebens gesehen werden. Damit erhält der Leser eine Übersicht, wo und auf welche Weise Funktionen und Strukturen miteinander verbunden sind. Die Kenntnisse im Detailwissen sind derart angewachsen, daß ein Lehrbuch, welches das Gesamtgebiet der Biologie des Menschen in allen bekannten Einzelheiten darstellen wollte, einen solchen Umfang haben müßte, daß eine Übersicht kaum noch möglich wäre. Die Auswahl der für das Gesamtverständnis wesentlichen Gesichtspunkte und Fakten war, wie in den bisherigen Auflagen, das Hauptanliegen der Autoren, die in genauer Abstimmung aufeinander eine weitgehend einheitliche Betrachtungsweise zu verwirklichen suchten. Dabei wurden nicht ausschließlich die dicken Verbindungsschnüre des Netzwerks berücksichtigt, sondern in einzelnen Bereichen auch die feinen, zwischen den groben Verknüpfungen liegenden Maschen struktureller und funktioneller Interaktion dargestellt. Die gewählten Beispiele detaillierter Darstellung mögen für den Leser einen Anreiz bilden, sich noch intensiver mit den Einzelheiten zu befassen. Ein größeres Schrifttumsverzeichnis am Ende des Buchs soll hierzu hilfreich sein. Es wurde auf den neuesten Stand gebracht. Wiederum haben wir eine große Zahl von Abbildungen verbessert, ergänzt oder hinzugefügt. Die Farbgebung wurde weitgehend vereinheit-

licht. Dank gebührt auch diesmal Herrn NICOLESCU, dem wissenschaftlichen Zeichner am Anatomischen Institut der Universität Tübingen, der die Abbildungsvorlagen in bewährter Genauigkeit und mit viel Engagement herstellte. Die neuen Farbphotographien hat Herr MAUZ, Photograph am Anatomischen Institut, hergestellt; auch ihm danken wir herzlich. Dank sagen wir auch den zahlreichen Lesern, die durch Anregungen, Kritik und Vorschläge dazu beitrugen, Fehler zu korrigieren und Zusammenhänge neu darzustellen. Der Verlag hat, wie immer, das Anliegen der Autoren verständnisvoll unterstützt. Die tatkräftige Mitarbeit der Lektoren, Frau HUBER und Herr Dr. KOHL, ermöglichte, das Buch im vorgesehenen Zeitrahmen fertigzustellen. Verfasser und Verlag hoffen, daß das neugestaltete Buch die Leser noch besser zufriedenstellen möge als bislang. Tübingen, Juli 1997 Die Verfasser

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Der Mensch als Lebewesen Typische Merkmale aller Lebewesen und damit auch des Menschen sind die Kennzeichen und Erscheinungen des Lebendigen. So besteht auch der menschliche Körper aus Zellen mit ihren zugehörigen Zwischensubstanzen, die zusammen die Gewebe und Organe aufbauen. Die Stoffe, aus denen die Zellen bestehen, sind von gleicher organisch-chemischer Natur wie die aller übrigen Lebewesen. In den Organen spielen sich die lebensnotwendigen Funktionen der Aufnahme, Verarbeitung und Abgabe von Stoffen, der Aufnahme, Verarbeitung und Beantwortung von Reizen und die Vorgänge zur Erhaltung der Art ab. Wie alle Lebewesen hat auch der Mensch eine stammesgeschichtliche Entwicklung hinter sich, in deren Verlauf er seine heutige Erscheinungsform erreicht hat. Der Mensch ist biologisch den Wirbeltieren (Vertebrata1) und unter diesen den Säugetieren (Mammalia2) zuzuordnen. Mit ihnen verbinden ihn zahllose Eigenschaften des Baues und der Körperfunktionen. Letztlich gehört er der Ordnung der Herrentiere oder Affen (Primates) an und steht dabei den Menschenaffen (Pongidae) am nächsten. Mit diesen stimmt er weitgehend im anatomischen Bau, der biochemischen Struktur und dem physiologischen Geschehen überein. Er unterscheidet sich von ihnen v. a. durch geistige Eigenschaften, die mit der besonderen Ausbildung seines Gehirns zusammenhängen. Dazu ermöglicht der aufrechte Gang die freie Benutzbarkeit der Vordergliedmaßen; sie sind zu feingliedrigen Greifwerkzeugen spezialisiert und somit geeignet, die geistigen Leistungen weitgehend in „Handlungen“ umzusetzen.

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vértebra (lat.) – Wirbelknochen. mámma (lat.) – Weibliche Brust. ana-témnein (gr.) – aufschneiden, eröffnen. morphé (gr.) – Gestalt; Morphologie = Gestaltlehre. makrós (gr.) – groß; scopé (gr.) – Spähen, Beobachten.

Wenn der Mensch sich grundsätzlich von den Tieren unterscheiden würde, wäre es nicht möglich, vergleichend von tierischen Befunden (Tierversuche) Schlüsse auf den Menschen zu ziehen. Dies ist aber durchaus möglich und auch heute noch von größter praktischer Bedeutung für die Erforschung sowohl der Lebensvorgänge als auch der bei Erkrankung des Menschen zu ergreifenden Hilfsmaßnahmen.

Die biologischen Forschungsmethoden am Menschen Die Anatomie3 ist eine der ältesten Wissenschaften. Sie befaßte sich zunächst ausschließlich mit der Beschreibung des (zergliederten) menschlichen Körpers. Auch heute ist sie eine morphologische4 Disziplin, die neben dem Grob- auch den Feinbau des normal entwickelten menschlichen Körpers sowie die Formveränderungen seiner Teile während ihrer Funktion analysiert. Damit ist die Anatomie eine biologische Wissenschaft. Sie hat ihren Namen zwar von der Eröffnung des Körpers, erarbeitet ihre Kenntnisse aber keineswegs nur dadurch, sondern zieht auch Beobachtungen am lebenden Körper zu Hilfe. Dies gilt z. B. für die Beschreibung des Muskelreliefs, aber auch für Befunde, die bei Operationen, mit dem Röntgengerät oder dem Computer-Tomographen erhoben werden. Auch können viele Teile des Körpers mit optischen Geräten untersucht werden, die in die Atemwege, in die Speiseröhre bis in den Magen, in den Mastdarm oder durch die Bauchwand in die Bauchhöhle, meist zur Erkundung von Krankheitsveränderungen, eingeführt werden. Diese Beobachtungen sind in der Regel alle mit bloßem Auge oder nur schwacher optischer Vergrößerung durchzuführen; man spricht daher von makroskopischer5 Anatomie. Die mi-

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Der Mensch als Lebewesen

kroskopische 6 Anatomie und die Elektronenmikroskopie analysieren dagegen den Bau der Organe, Gewebe und Zellen. Um diese mit Hilfe von Lichtmikroskop und Elektronenmikroskop betrachten zu können, werden die Organ- oder Gewebeteile in der Regel abgetötet (fixiert), in einen schneidbaren Zustand gebracht, in dünne Schnitte zerlegt und anschließend gefärbt oder kontrastiert. Die bearbeiteten Materialien unterliegen dabei verschiedenen Veränderungen, es können sich Kunstprodukte, sog. Artefakte, einstellen, was bei der Bearbeitung bzw. Auswertung der Präparate zu berücksichtigen ist. Mit dem Elektronenmikroskop lassen sich Strukturen der Körper- bzw. Zellsubstanzen zum Teil bis hinein in den Molekularbereich erkennen. Spezielle Untersuchungsmethoden, wie sie in der Histochemie7 und Cytochemie8 angewandt werden, erlauben es, einfachere und kompliziertere chemische Substanzen, wie Speicherstoffe oder Enzyme, in Geweben, Zellen oder Zellorganen qualitativ und zum Teil auch quantitativ nachzuweisen. Die Pathologie9, auch pathologische Anatomie genannt, untersucht und erforscht die krankhaft veränderten Organe und Gewebe, vergleicht sie mit den normalen Befunden und stellt so, meist nach dem Tod, Krankheitszusammenhänge fest. Die Pathologie bedient sich prinzipiell der gleichen Methoden wie die Anatomie. Die Physiologie10 beschäftigt sich mit den normalen Funktionsabläufen im Körper. Der menschliche Körper unterliegt wie jeder andere lebende Organismus physikalischen und chemischen Gesetzen, und seine Funktionen können am besten in Ausdrücken der Chemie und Physik erklärt werden. Ein genaues Verstehen einer Reihe von Körper- bis hin zu Zellfunktionen bedarf beträchtlicher Kenntnisse dieser Wissenschaften, doch ist eine allgemeine Darstellung der Physiologie auch auf der Grundla-

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mikrós (gr.) – klein. histós (gr.) – Schiffsbaum, Webebaum, Gewebe. k ytos ´ (gr.) – Höhlung, Bläschen; hier: Zelle. Der Begriff Chemie geht auf das arabische Wort alkimija zurück („Alchimie“). páthos (gr.) – das Leiden. physis ´ (gr.) – die Natur. bíos (gr.) – Leben; Chemie s. Fußnote 8. émbryon (gr.) – Neugeborenes (Lamm); auch ungeborene Leibesfrucht. ánthropos (gr.) – der Mensch.

ge schulischer Physik- und Chemie-Kenntnisse möglich. Die Einzelheiten der chemischen Reaktionen im Organismus, die Eigenschaften der die Strukturen der Zellen und Organe bildenden Substanzen, sowie die stofflichen Zusammenhänge der Kommunikation zwischen den einzelnen Teilen des Gesamtorganismus werden in der Physiologischen Chemie oder Biochemie11 behandelt, die sich als eigenständige Disziplin zum Teil aus der Physiologie, zum Teil aus der organischen Chemie entwickelt hat. Die streng physikalischen Probleme der Physiologie fallen entsprechend in den Bereich der Biophysik. Eine ganze Reihe von Grundprozessen laufen beim Tier und beim Menschen in ähnlicher Weise ab. Da der menschliche Organismus sich für eine Vielzahl von Experimenten verbietet, ist der Tierversuch eine Basis, auf der die Humanphysiologie aufbauen kann. Viele experimentelle Befunde der Biochemie und der Physiologie sind überhaupt nur am Tier zu gewinnen, da sie lebendes Gewebe in bestimmten Funktionszuständen zur Grundlage haben müssen und dieses vom Menschen nicht entnommen werden kann. Die Pathophysiologie erforscht die krankhaften physiologischen Vorgänge. Teilgebiet der Anatomie ist die Entwicklungsgeschichte oder Embryologie12. Sie verfolgt das Entstehen und Wachsen des Individuums von der Befruchtung der Eizelle bis zur Geburt und darüber hinaus bis zur Körperreife. Auch die Anthropologie13 hat sich aus der Anatomie entwickelt. Ursprünglich umfaßte sie die ganze Biologie des Menschen. Heute versteht man unter Anthropologie die Wissenschaften von der Stammesentwicklung des Menschen, der Differenzierung der Menschheit in Rassen (Rassenkunde), der Bevölkerungsbiologie und der Vererbung des Menschen (Humangenetik).

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1 Grundlagen 1.1 Morphologische Grundlagen: Die Zelle Die kleinsten Baueinheiten des menschlichen Körpers sind, wie bei Pflanzen und Tieren, die Zellen. Zellen sind die Träger der Lebenserscheinungen. Zusammen mit den zwischen den Zellen gelegenen Materialien, den Interzellularsubstanzen, bauen sie die Strukturen des Körpers auf. Die Zellenlehre, Cytologie 1, beschäftigt sich mit dem Bau und den Funktionen der Zellen. Trotz mancher Verschiedenheiten zwischen den Zellen unterschiedlicher Tier- und Pflanzengruppen ist festzustellen, daß die Zellen der Eukaryonten2 – Lebewesen, deren Zellen über einen Zellkern verfügen und zu denen auch der Mensch gehört – nach einem relativ einheitlichen Bauplan angelegt sind. Und dies trotz der Tatsache, daß Zellen unterschiedlicher Organismen und auch in ein und demselben Organismus unterschiedliche Form und Größe haben. Dies ist nicht selbstverständlich, nachdem alle Zellen des Körpers aus der befruchteten Eizelle hervorgegangen sind. Die Zellen entwickeln sich aber über weitreichende Differenzierungsvorgänge und übernehmen nach und nach Spezialaufgaben; sie machen im Laufe ihres Lebens einen Funktionswandel durch. In der Regel haben aber Zellen immer eine bestimmte Gestalt, so daß es möglich ist, sie in bestimmte Zell- oder Gewebsarten einzuteilen, sie aber auch für diagnostische Zwecke heranzuziehen. Die Größen menschlicher Zellen sind sehr verschieden. Am größten sind die Eizellen und die

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k ytos ´ (gr.) – Zelle; lógos (gr.) – Lehre. eú (gr.) – gut, regelrecht; káryon (gr.) – Nuß, Kern. Eukaryonte Zellen haben immer, „den Regeln entsprechend“, einen Zellkern (im Gegensatz zu den Akaryonten, wie z. B. Bakterien).

Zelleiber mancher großer Nervenzellen mit einem Durchmesser von 0,12 mm-0,20 mm = 120200 µm. Sie können gerade noch mit bloßem Auge gesehen werden. Viele Nervenzellen haben Ausläufer, die bis zu 1 m lang oder sogar länger sind – wenn ihr Querschnitt auch nur wenige µm beträgt (s. Nervengewebe, S. 134ff). Zu den kleinsten Zellen des menschlichen Organismus gehören die 4-5 µm messenden kleinen Gliazellen („Mikroglia“, s. S. 150), die Spermien (s. S. 731), deren Köpfe einen Durchmesser zwischen 3-5 µm haben, sowie die roten Blutkörperchen (Erythrocyten, s. S. 260), deren größter Durchmesser bei 7,5 µm liegt. Zellen mittlerer Größe weisen einen Durchmesser von 30-50 µm auf; die Leberzellen (s. S. 432) sind hier beispielhaft zu nennen. Die Form der Zellen ist recht unterschiedlich und hat meist deutliche Beziehung zur Funktion. Oft passen sich die Zellen der Umgebung an, wie z. B. im Abschlußgewebe (Epithelgewebe, s. S. 98). Dort kennen wir kubische, flache oder hochprismatische Zellen, die immer sehr dicht aneinandergefügt sind und so gegenseitig ihre Form bedingen. Teilweise sind die Zellen spindelförmig (z. B. die der glatten Muskulatur, s. S. 176) oder kugelig. Andere wieder haben lange und verzweigte Ausläufer, wie Bindegewebsund Nervenzellen. Auch gibt es Zellen, die an ihrer Oberfläche eine Vielzahl kleiner Fortsätze oder faltenartige Ausstülpungen tragen. Solche Strukturen dienen der Oberflächenvergrößerung speziell bei Zellen, die einen regen Stoffaustausch durch die zellbegrenzenden Strukturen hindurch haben. Oftmals treten diese Differenzierungen nur einseitig auf, so daß an der Zelle eine morphologische Polarisierung erkennbar ist. Dieser entspricht in der Regel auch eine funktionelle Polarität der Zelle. Unterschiedliche Form und Größe stehen also in engem Zusammenhang mit der jeweiligen Funktion einer Zelle. Zellen sind im Hinblick auf die Übernahme bestimmter Aufgaben differenziert, wie etwa die Muskelzellen, die die

4 Grundlagen

Motorik des Körpers besorgen, oder die Drüsenzellen, die Produkte absondern und damit der Sekretion dienen, oder Nervenzellen, die im Dienst der Erregungsleitung stehen, usw. Zellen unterschiedlichcr Differenzierung und Funktion haben auch eine unterschiedliche Lebenserwartung: Manche sterben bereits nach Stunden oder wenigen Tagen ab, z. B. Darmepithelzellen, andere erreichen dagegen das Alter des ganzen Organismus, wie etwa die Nervenzellen. Der unterschiedliche Differenzierungs-Zustand der Zellen bedingt auch deren unterschiedliche Fähigkeit, sich zu vermehren und verlorengegangene Teile des Zellkörpers nachzubilden, zu regenerieren: In der Regel sind beide Eigenschaften bei solchen Zellen gut ausgeprägt, die „einfacher“ organisiert sind, wie Bindegewebszellen, dagegen schlecht oder fehlend bei Zellen, die einen „hohen“ Differenzierungsgrad haben, wie Muskeloder Nervenzellen. Trotz aller dieser morphologischen und funktionellen Unterschiede, die zwischen Zellen bestehen, sind sie als kleinste Funktionseinheiten des Körpers relativ einheitlich, dem „Bauplan der Zelle“ folgend, organisiert. Lediglich das rote Blutkörperchen, das weder einen Zellkern noch Zellorganellen besitzt, paßt zunächst nicht in die Schematik dieses Planes. Für den menschlichen Körper wurde eine Anzahl von 1013 Zellen errechnet bzw. geschätzt. Die Zelle eukaryonter Lebewesen besteht aus Zellplasma (Cytoplasma3) und Zellkern (Nucleus4) (Abb. 1/1). Beide Strukturen sind durch Zellmembranen (Cytomembranen) abgegrenzt, stehen aber untereinander in Verbindung und bilden eine lebensfähige Einheit. Die Vorgänge des Lebens sind aber nur möglich, wenn Wasser mit bestimmten Salzen als Medium in ausreichender Menge zur Verfügung steht.

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k ytos ´ (gr.) – Zelle; plásma (gr.) – Geschaffenes, Geformtes. núcleus (lat.) – (Nuß-) Kern, von nux – Nuß. h yalos ´ (gr.) – Glas; hyalinus (lat.) – durchscheinend; plásma (gr.) – Geschaffenes, Geformtes. mátrix (lat.) – Mutterboden, Hülle; vgl. Matrize. plásma (gr.) – Geschaffenes, Geformtes; lémma (gr.) – Kapsel, Schale. k ytos ´ (gr.) – Zelle; sol = Kurzwort von solutio (lat.) – Lösung.

1.1.1

Cytoplasma

Das Cytoplasma bildet den eigentlichen Zelleib, der den Zellkern in allen Bereichen umgibt. Es umfaßt folgende Anteile: – Das Hyaloplasma5 oder Grundplasma, auch Matrix6 genannt; darin liegen – Zellorganellen sowie – Zelleinschlüsse bestimmter Art. Begrenzt wird das Cytoplasma von – der äußeren Zellmembran, dem Plasmalemm7; dies ist eine spezielle Cytomembran. 1.1.1.1

Hyaloplasma

Bezeichnenderweise wird dieser CytoplasmaAnteil auch Matrix = Muttersubstanz genannt, denn in ihn sind alle Zellorganellen und Zelleinschlüsse eingelagert. Im elektronenmikroskopischen Bild erscheint das Hyaloplasma leer und unstrukturiert. Es besteht im wesentlichen aus Wasser, das in gelöster Form unterschiedliche Proteine (Enzyme, s. S. 60), Kohlenhydrate, Lipide, Nucleinsäuren, Elektrolyte und Spurenelemente enthält. Protein-Makromoleküle, die über Seitenketten untereinander verbunden sind und die einen Teil des Zellwassers als Hydratationswasser binden, verleihen dem Hyaloplasma solartigen Charakter; aus diesem Grund nennt es der Biochemiker Cytosol8 (s. S. 70). 1.1.1.2

Plasmalemm und Cytomembran

Das Cytoplasma ist an seiner Oberfläche durch ein dünnes Häutchen, die Zellmembran, abgeschlossen. Das Plasmalemm grenzt also das Zellinnere vom außerhalb der Zelle gelegenen Bereich, dem Extrazellularraum, ab. Das Plasmalemm ist im wesentlichen gleich gestaltet wie Membranen, die am Aufbau bestimmter Zellorganellen beteiligt sind oder den Zellkern umhüllen: Verallgemeinernd gilt, daß alle Membranen der Zelle, die Cytomembranen, einem Bauschema folgen, dem der Einheitsoder Elementar-Membran, unit membrane im englischen Sprachgebrauch. Bevor das Plasmalemm im Detail besprochen wird, sei zunächst der allgemeine Membranbau dargestellt.

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Abb. 1/1: Feinbau der Zelle. Schema. Im Hyaloplasma liegen: a – Zellkern mit Nucleolus, umgeben von der mit „Poren“ und „Fenstern“ versehenen Kernmembran bzw. Kernhülle, b – Lysosom, c – Mikrotubulus, d – freie Ribosomen, e – Mikrofilamente und Intermediärfilamente, f – „Schlußleiste“, g – Mitochondrium, h – Glycogen, i – Centriol; als Centriolenpaar ein Diplosom bildend, k – Plasmalemm, l – GOLGI-Feld, m – rauhes endoplasmatisches Reticulum (rER = Ergastoplasma), n – Speicherbläschen (-Vesikel), o – basales Labyrinth, p – glattes endoplasmatisches Reticulum (gER), q – Desmosom, r – Mikrovillus.

6 Grundlagen

Cytomembranen (Abb. 1/2) sind im elektronenmikroskopischen Bild ca. 8 nm dick und bestehen aus drei Schichten: Zwischen zwei äußeren, durch Osmium-Einlagerung („Kontrastierung“) elektronendichten und damit schwarz erscheinenden Schichten befindet sich eine helle, also elektronendurchlässige, ca. 3 nm breite Zone. Der elektronenmikroskopische Befund ist über den molekularen Feinbau der Cytomembran erklärbar. Demnach besteht eine Membran aus zwei dünnen Lagen von Phospholipiden, die einander dicht anliegen und in die globuläre Proteine eingelagert sind. Beide Phospholipidlagen sind dadurch ausgezeichnet, daß die sie aufbauenden Phospholipid-Moleküle alle gleichsinnig orientiert sind: sie besitzen einen hydrophilen9 (= lipophoben10 ) und lipophilen (= hydrophoben) Pol, und die beiden die Cytomembran aufbauenden Phospholipid-Lagen sind nun so aneinandergelegt, daß jeweils die lipophilen Molekülenden gegeneinander gerichtet sind und sich verbinden. In diesen bimolekularen Phospholipidfilm sind mosaikartig unterschiedliche Eiweißmoleküle, Proteine, eingelagert, die teils in der einen, teils in der anderen Membranhälfte liegen oder aber beide Hälften bzw. die ganze Membran durchsetzen. Die Membranen sind also asymmetrisch und heterogen gebaut. Z. B. sind je 30 % der Membranproteine des Erythrocyten Spectrin und Glycophorin; der Rest entfällt auf eine Vielzahl weiterer Proteine. Gewichtsmäßig verhält sich der Protein- zum Phospholipid-Anteil einer Membran wie 1:1; da die Proteinmoleküle aber viel größer sind als die Phospholipidmoleküle, kommen auf 1 Proteinmolekül ungefähr 50 Phospholipidmoleküle. Cytomembranen unterliegen einem ausgesprochenen Formwandel. Dies ist z B. bedeutend für Wachstumsprozesse an Membranen oder bei Transportvorgängen, die durch Membranen hindurch erfolgen. Hierbei können sich die Phospholipidmoleküle „fließend“ von einem Ort zu einem anderen derselben Schicht bewegen (laterale Diffusion), oder aber in die benachbarte

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h ydor ´ (gr.) – Wasser; philéin (gr.) – lieben, aufnehmen, hier: anziehen. lípos (gr.) – Fett, Öl, Salbe; phobéin (gr.) – scheuen, fürchten, hier: abstoßen. íntra- (lat.) – innen. éxtra- (lat.) – außerhalb. ínter- (lat.) – dazwischen.

Schicht übertreten (flip-flop). Auch die Proteine unterliegen einer ständigen Verlagerung und Verschiebung, so daß sich das Bild der Cytomembran als sehr dynamisch darstellt. Die Vorstellungen, die man heute zum Bau der Cytomembran entwickelt hat, faßt das „Fluid-Mosaic-Modell“ zusammen. Trotz ihres generellen Aufbaus sind Cytomembranen untereinander keinesfalls alle gleich. Sie unterscheiden sich in unterschiedlichen Zellarten hinsichtlich des Verhältnisses von Proteinen zu Phospholipiden (1:4 bis 4:1; Normalwert 1:2); viele Membranen enthalten neben den Phospholipiden zusätzlich das Lipid Cholesterin, das membranstabilisierend wirkt. Auch die Proteine sind von unterschiedlicher Struktur und Funktion: Man unterscheidet „Tunnel- oder Kanalproteine“, die die ganze Cytomembran durchsetzen, von „einseitig“ gelegenen Proteinen. Beide sind als „integrierte Proteine“ in die Membran fest eingebaut; eher locker an- oder aufgelagerte Proteine nennt man „periphere Proteine“. Die Membran-Proteine sind als globuläre, d. h. kugelförmige, Proteine ausgebildet. Auch sie haben hydrophile und lipophile Anteile. In der Regel ist das lipophile Ende in die Phospholipidschicht eingetaucht, der hydrophile Pol des Proteins ragt dagegen aus der Membran heraus. Proteine, die die gesamte Membran durchsetzen, sind häufig am Transport von Stoffen durch die Membran beteiligt, wobei sie nicht selten durch die Membran hindurchführende Kanäle (Ionenkanäle, vgl. S. 53) aufbauen. Aufgrund ihres zusammengesetzten, „fluiden“ Baues sind Membranen in der Lage, bestimmte Stoffe zu akzeptieren und durchtreten zu lassen, andere werden zurückgehalten: Cytomembranen sind selektiv permeabel. Diese Auswahlfähigkeit gegenüber Substanzen läßt Cytomembranen besonders geeignet erscheinen, innerhalb der Zelle unterschiedliche Reaktionsräume (Zellkompartimente) abzugrenzen. Das Plasmalemm umgibt als hochspezialisierte Cytomembran den Zelleib und grenzt damit das Zellinnere, den intrazellulären11 Bereich, vom außerhalb der Zelle gelegenen Extra-12 oder Interzellular-13Raum ab. Das Plasmalemm paßt sich hierbei den räumlichen Gegebenheiten im Gewebsverband plastisch an; es ändert sich bei allen Form- und Funktionszuständen seiner Zelle mit. Hierzu ist es durch seinen molekularen Aufbau besonders befähigt. Dies wird u. a.

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 7

Abb. 1/2: Aufbau der Cytomembran. Schema. a) Aneinanderlagerung polarisierter Phospholipidmoleküle zu „monolayern“, die dann einen bimolekularen Phospholipidfilm („bilayer“) bilden. Rechts ist das Kontrastierungsverhalten der Cytomembran gegenüber Osmiumtetroxid und damit das elektronenmikroskopische Äquivalentbild der Membran dargestellt. b) Räumliche Darstellung einer Cytomembran mit integrierten (a), peripheren (b) und Tunnel (c)-Proteinen sowie den Glykolipiden und Glykoproteinen der Glykocalix (d).

8 Grundlagen

deutlich bei Zellen, die durch Aussenden und Anheften von Zellfüßchen (Pseudopodien14) mit anschließendem Nachziehen bzw. Nachfließen des Zelleibes Ortsveränderungen durchführen können, wie dies nicht ortsansässige Bindegewebszellen tun (s. S. 108). Auch erfolgen Transportprozesse in die Zelle hinein und aus der Zelle heraus durch das Plasmalemm hindurch (vgl. auch S. 59). Man nennt solche Materialtransporte allgemein Cytosen (s. Abb. 1/7, S. 14). Hierbei bilden sich, je nach Transportrichtung, Membran-Einstülpungen oder -Ausstülpungen, die sich vom Plasmalemm als Bläschen abgliedern und ihre Inhalte von der Zelle weg (Exocytose15) oder in die Zelle hinein (Endocytose16) führen. Diese Vorgänge sind nur sinnvoll erklärbar, wenn das Plasmalemm sich tatsächlich im Sinne des Flüssig-Mosaik-Modells verändern und verschieben kann. Des weiteren ist das Plasmalemm gegenüber bestimmten Stoffen selektiv durchlässig. Auch ist das Plasmalemm Träger von Enzymsystemen, die der Verschiebung von Natrium- und Kaliumionen durch die Membran dienen. Die Phänomene der Erregungsleitung, wie sie ganz besonders das Nervengewebe charakterisieren, sind an das Plasmalemm gebunden. Darüber hinaus laufen am Plasmalemm eine Vielzahl von Erkennungsoder Rezeptorfunktionen ab, die oft an die an oder in der Membran liegenden Proteine gekoppelt sind. Diese Rezeptor-Eigenschaften des Plasmalemm beziehen sich auf Steuerungsstoffe (Hormone), Überträgerstoffe des Nervensystems (Neurotransmitter), Aufbau- und Nährstoffe der Zelle, wie etwa Traubenzucker, oder auch bestimmte Pharmaka. Diese Eigenschaften werden in zahlreichen späteren Kapiteln dieses Buches abgehandelt. Das Plasmalemm begrenzt, wie man heute verallgemeinernd aussagen kann, die Zelle gegenüber dem Interzellularraum nicht „nackt“, sondern es ist von einem mehr oder weniger dikken schleimartigen Belag, der Glykocalix17, bedeckt. Diese wird von der Zelle selbst produziert und laufend erneuert. Sie besteht aus Zuk14

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pséudo (gr.) – scheinbar; pes (lat.) – Fuß; „Scheinfüßchen“. éxo- (lat.) – aus, aus ... heraus, außerhalb. éndo- (lat.) – innen, innerhalb. glyk ys ´ (gr.) – süß (da Glucose-haltig), cálix (lat.) – Kelch, Becher; Schreibweisen „Glykokalix“ und „Glycocalix“ ebenfalls gebräuchlich.

kern, Eiweißen und Fett-ähnlichen Stoffen, welche untereinander als Glykolipide und Glykoproteine und deren Oligo- und Polysaccharidseitenketten verbunden sind (Abb. 1/2). Das Muster der Zucker-Anordnung ist sehr mannigfaltig und verleiht der jeweiligen Zellart ganz charakteristische Eigenschaften. Somit ist an die Glykocalix die Spezifität der Zelle gebunden. Diese ist entscheidend z. B. für die Bildung von Geweben, bei der sich gleichartig differenzierte Zellen über ihre gleichartigen Glykocalices bzw. über deren gleichartige Zuckeranordnung erkennen und dann zu einem Verband, dem Gewebe, zusammenlagern. Hierbei entwickeln sich aus der Glykocalix an kleinräumigen Haftstellen (z. B. Desmosomen, s. S. 88) die sog. Kittsubstanzen und in bestimmten Grenzsituationen gegenüber Nachbargeweben Anteile der Basalmembran (s. S. 95). In der Glykocalix sind außerdem wichtige Erkennungseigenschaften der Zelle lokalisiert, wie Antigen- und Blutgruppeneigenschaften. Die Antigen-Eigenschaften setzen die Zelle in die Lage, körperfremde Zellen oder Materialien zu erkennen und infolge ihrer Unverträglichkeit (Inkompatibilität) abzuwehren. Dies ist besonders bei Abwehrzellen im Immun- oder Abwehrsystem (s. S. 286) der Fall. 1.1.1.3

Zellorganellen

Wie schon erwähnt handelt es sich bei den Zellorganellen um Strukturen, die in der cytoplasmatischen Matrix liegen. Sie sind für die Erfüllung aller individuellen Lebensfunktionen der Zelle zuständig. Aufgrund ihrer Kleinheit ist ein genaueres Erkennen ihres Aufbaues nur im Elektronenmikroskop möglich. Durch Zerstören von Zellen und Zentrifugieren in einer schnellaufenden (Ultra-)Zentrifuge lassen sich die Zellorganellen aufgrund ihrer unterschiedlichen Größe und ihres unterschiedlichen spezifischcn Gewichtes voneinander trennen, dann morphologisch und biochemisch charakterisieren und hinsichtlich ihrer Funktion interpretieren. Ein Teil der Zellorganellen ist durch Cytomembranen begrenzt, andere dagegen nicht. Entsprechend teilt man sie ein in – membrangebundene Zellorganellen: hierher gehören die Mitochondrien, die GOLGIFelder, das endoplasmatische Reticulum, die Lysosomen, Vesikel und Microbodies, etc., und

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 9

– nicht membrangebundene Zellorganellen: hierzu zählen die Ribosomen, Mikrofilamente, Mikrotubuli, Centriolen, Cilien, etc., und als Strukturen des Karyoplasmas die Chromosomen und Nucleolen. 1.1.1.3.1 Mitochondrien18 Mitochondrien kommen in allen mit einem Zellkern ausgestatteten Zellen vor. Auffallend ist, daß sie in besonders stoffwechselaktiven Zellen sehr häufig sind: bei Leberzellen wurde eine Anzahl von über 2 000 ermittelt. Mitochondrien fungieren in erster Linie als Träger von Enzymsystemen, die im Dienst der Energiegewinnung stehen. Mitochondrien sind 0,5-5 µm, max. 10 µm lange und 0,1-0,5 µm dicke stäbchenartige, oft geschlängelt sich darstellende Gebilde, die in der lebenden Zelle einem auffallenden Formwandel unterliegen. Ihre Verbreitung innerhalb der Zelle ist nicht wahllos; Zellbereiche, die als stark energieabhängig gelten, sind stets dichter mit Mitochondrien besetzt als andere. Im Elektronenmikroskop sind Mitochondrien aufgrund ihrer charakteristischen Binnenstruktur leicht erkennbar (Abb. 1/3). Sie werden begrenzt von zwei Elementarmembranen: Die äußere Hüllmembran verläuft relativ glatt, die innere Mitochondrienmembran ist dagegen falten-, leisten- oder brettartig oder in Form von Röhrchen in den Innenbereich des Mitochondriums eingesenkt: Je nach Ausbildung der inneren Membran werden Mitochondrien des CristaTyps vom Tubulus-Typ unterschieden. Die Cytomembran-Systeme des Mitochondriums grenzen zwei Bereiche voneinander ab: Zwischen äußerer und innerer Membran liegt der äußere Spaltraum (Spatium intermembranosum), der Innenbereich wird dagegen ausschließlich von der Innenmembran begrenzt. In beiden Räumen sind Stoffwechselprozesse angesiedelt, so daß man zu Recht vom äußeren und inneren Stoffwechselraum spricht. Elektronenmikroskopisch erscheint der äußere Raum leer bzw. amorph. Der innere Raum ist dagegen von einer sehr feingranulierten Matrix erfüllt, die Proteine und Lipide sowie Desoxyribonucleinsäure

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mítos (gr.) – Faden; chóndros (gr.) – Korn (vgl. auch Knorpel). A in DNA und RNA für acid (engl.) – Säure.

Abb. 1/3: Mitochondrium vom Crista-Typ. Schema. a – äußere Hüllmembran, b – innere Membran, c – äußerer Spaltraum, d – Matrix-erfüllter Innenraum. Oben sind an der Innenmembran einige Elementarpartikel (e) dargestellt.

(DNA19) und Ribonucleinsäure (RNA19 ) enthält. Das Vorkommen von DNA und RNA veranschaulicht, daß die Mitochondrien ein eigenes, vom Zellkern unabhängiges genetisches System besitzen, das der Synthese eines Teils der mitochondrialen Proteine (Enzyme) dient. – Bei bestimmten Zellen liegen in der MitochondrienMatrix vereinzelt 30-50 nm große Körnchen, die Granula mitochondrialia. Aufgrund ihres Gehaltes an Calcium- und Magnesium-Ionen wird ihnen eine Funktion bei der Regulation des inneren Milieus der Mitochondrien zugeschrieben. Bei Anwendung spezieller Nachweisverfahren können auf der zur Matrix gewandten Seite der inneren Mitochondrienmembran die sog. Elementarpartikel lokalisiert werden. Diese kugeligen Enzymproteine sind über feinste Stielchen saumartig den Membranen angelagert. Sie sind von Bedeutung für die Energiegewinnung, z. B. die oxidative Phosphorylierung (s. S. 78). Die Funktion der Mitochondrien besteht darin, die für die innerhalb der Zelle ablaufenden Prozesse erforderliche Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) bereitzustellen und die Zellatmung durchzuführen. Hierzu sind eine Vielzahl von Enzymen erforderlich, die im Sin-

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Grundlagen

ne ökonomischer Arbeitsweise nicht wahllos, sondern in einer den Syntheseschritten entsprechenden Abfolge angeordnet sind: Mitochondrien sind „geordnete Multienzymsysteme“. So liegen z. B. die Phosphorylierungsenzyme auf der inneren Mitochondrienmembran (s. o.), die Enzyme des Zitronensäure- oder Citrat-Zyklus (Atmung) liegen dagegen hauptsächlich in der mitochondrialen Matrix (s. o.). Die Neubildung von Mitochondrien erfolgt durch einfache Querteilung der bereits vorhandenen. Teilungsbereite Mitochondrien sind regelmäßig länger als die anderen; Mitochondrien können also wachsen. Bei der Zellteilung (Mitose, s. S. 33) werden die Mitochondrien, im Gegensatz zu den meisten anderen Zellorganellen, nicht „eingeschmolzen“ und nach erfolgter Teilung neu gebildet, sondern ungefähr hälftig und zufällig auf beide Tochterzellen verteilt. – Die Lebensdauer der Mitochondrien beträgt 10 bis 20 Tage.

Abb. 1/4: Ribosomen des rauhen endoplasmatischen Reticulum. Schema. Die aus zwei Untereinheiten (40 S und 60 S) aufgebauten Ribosomen sind durch fädige messenger RNA (mRNA) untereinander verbunden. Die produzierten Proteine (rot) werden in das Reticuloplasma eingeschleust. Die unteren Ribosomen sind längs geschnitten.

1.1.1.3.2 Ribosomen20 und endoplasmatisches Reticulum21 Beide Organellen hängen weitgehend morphologisch und auch funktionell zusammen. Während das endoplasmatische Reticulum (ER) ein stark gegliedertes Membransystem darstellt, handelt es sich bei den Ribosomen um Granula, die entweder als freie Ribosomen in der Matrix liegen oder aber den ER-Membranen aufgelagert sind. Im letzteren Fall bedingen sie, zusammen mit den ER-Membranen, das granulierte oder rauhe endoplasmatische Reticulum (abgekürzt: rER). Nicht mit Ribosomen besetztes ER nennt man agranuläres oder glattes endoplasmatisches Reticulum (gER) (Abb. 1/1). Ribosomen Ribosomen haben einen Durchmesser von 1520 nm und sind somit einzeln nur elektronenmikroskopisch nachweisbar. Sie bestehen aus zwei Untereinheiten, die sich beim Ultra-Zen-

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ríbo-, wegen des RNA-Gehaltes; sóma (gr.) – Körper. éndon (gr.) – innen; retículum (lat.) – Netzchen, von réte – Netz. póly- (lat.) – mehr, viel, vielfach.

trifugieren voneinander trennen: Die eine Untereinheit hat einen Sedimentations-(Absenkungs)-Koeffizienten (S) von 40 S, die andere von 60 S. Beide Untereinheiten werden im Zellkern gebildet und in das Cytoplasma entlassen, wo sie sich zu den Ribosomen als „Dimere“ zusammenschließen. Ribosomen bestehen zu 40 % aus RNA. Diese sog. „ribosomale RNA“ ist an Proteine gekoppelt, die ca. 60 % des Ribosoms ausmachen (Abb. 1/4). Die Ribosomen sind für die innerhalb des Cytoplasmas ablaufende Protein-Synthese (vgl. S. 70) zuständig. Dabei gelten die einzeln und unregelmäßig in die Matrix eingestreuten Ribosomen und ihre Untereinheiten als inaktiv. Sind sie dagegen zu Polyribosomen 22 = Polysomen, kleinen Häufchen spiralig angeordneter Ribosomen, zusammengelagert, dann produzieren sie Strukturproteine (Eigenbedarf der Zelle an Proteinen des Baustoffwechsels) und Enzymproteine (= Funktionsproteine), die ebenfalls in der Zelle selbst Verwendung finden. Ribosomen, die an das endoplasmatische Reticulum gebunden sind, stellen dagegen sog. exportable Proteine her, also Eiweißkörper (Sekrete, Enzyme), die aus der Zelle herausgeführt werden und die ihre Bedeutung außerhalb der Zelle haben. Teile des rER bilden jedoch auch zelleigene Proteine. Beide

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 11

Formen der aktiven Ribosomen, die der Polysomen und die das rER mitbedingenden, sind untereinander durch fadenartige mRNA (messenger, engl. = Boten-RNA)-Moleküle verbunden. Zellen mit hoher Protein-Bildungsrate besitzen eine große Anzahl von Ribosomen und sind damit reich an rRNA (ribosomale RNA). Aufgrund dieses rRNA-Gehaltes zeigen solche Zellen bzw. Ribosomen-reiche Zellareale das Phänomen der Basophilie: an ihnen werden basische, in der Lichtmikroskopie verwendete Farbstoffe (wie etwa Methylenblau) abgebunden. Durch diese Anfärbbarkeit sind sie eindeutig identifizierbar. Basophile Zellareale bezeichnet man bereits seit dem 19. Jh. als Ergastoplasma23 (Arbeitsplasma). Als Beispiele für Ergastoplasmareiche und damit im Hinblick auf die Proteinsynthese hochaktive Zellen seien Drüsenzellen und Nervenzellen genannt. Endoplasmatisches Reticulum Die Membransysteme des ER durchziehen den Zelleib der meisten Zellformen und führen so zu einer weitgehenden Untergliederung (Kompartimentierung) des Cytoplasmas. Hierbei begrenzen jeweils zwei einander gegenüberliegende Membranen einen Spaltraum, der 30-50 nm breit ist und den das sog. Reticuloplasma erfüllt. In bestimmten Stoffwechsel-Zuständen ist dieser intermembranöse Raum deutlich erweitert; es liegen dann Cisternen, also sack- oder taschenartige Ausweitungen, vor. Der intermembranöse Raum ist unterschiedlich stark gegliedert und bildet insgesamt ein Spalten- und Kanälchen-System. Die Anteile des ER einer Zelle sind in der Regel untereinander verbunden. Es gibt zwei Formen des ER, die nebeneinander – in derselben Zelle – vorkommen können. Das rauhe endoplasmatische Reticulum (Abb. 1/5) besteht in vielen Fällen aus einer großen Zahl

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ergázomai (gr.) – arbeiten; plásma (gr.) – Geschaffenes, Geformtes. NISSL, F., 1860-1919, Prof. in Heidelberg u. München. Beschrieb 1884 das Ergastoplasma der Nervenzellen. túbus (lat.) – Röhre; túbulus = Röhrchen. lamélla (lat.) – Platte, Blatt; án(n)ulus (lat.) – kleiner Ring, von ánus – Ring.

stapelartig und dicht an- oder übereinander gelagerter Cytomembranen, die über „Querbrükken“ untereinander in Verbindung stehen und die so eine Kommunikation der Anteile des Reticuloplasmas herbeiführen. Membranen des rER bilden (zusammen mit Anteilen des gER) die Kernhülle und bleiben mit dieser verbunden, so daß der perinucleäre Raum sich in das Reticuloplasma fortsetzt. Auch kann das rER mit dem Plasmalemm verbunden sein. Die Proteine, die von den Ribosomen des rER gebildet werden, gelangen in das Reticuloplasma, werden hier gesammelt und bei Bedarf verfrachtet. Häufig handelt es sich dabei um Enzym-Proteine, die vom Hyaloplasma durch die ER-Membran getrennt gehalten werden müssen, da sie sonst die dort liegenden Strukturen und Organellen schädigen könnten: Beispielsweise würde Ribonuclease die Ribosomen und eine Protease die Strukturproteine der Zelle angreifen. Die am rER synthetisierten Proteine werden im wesentlichen als Funktionsproteine aus der Zelle ausgeschleust; sie stellen also Exportproteine dar. Daneben werden aber auch Enzyme gebildet, die in der Zelle Verwendung finden, wie z. B. die in Lysosomen (s. u.) wirksamen lytischen („auflösenden“) Enzyme. Die Produkte des rER werden über das Reticuloplasma in die Randbezirke der Membranstapel verfrachtet. Hier schnüren sich Bläschen ab, die das jeweilige Produkt enthalten. Diese Transportvesikel genannten Bläschen gelangen dann entweder zu einem GOLGI-Feld, werden zu Lysosomen und Peroxisomen, oder sie werden durch das Plasmalemm hindurch nach außen abgegeben (exportiert). Das rER ist besonders in Funktionsproteine produzierenden Zellen sehr stark entwickelt, wo es lichtmikroskopisch als Ergastoplasma, wie etwa bei Pankreas-Zellen, oder als NISSL24-Schollen bei Nervenzellen, aufgrund seines basophilen Färbeverhaltens (s. o.) darstellbar ist. Das glatte endoplasmatische Reticulum ist nicht Ribosomen-besetzt. Seine Membranen bilden meist keine flächigen Membranen und Membranstapel, sondern sind vielmehr untereinander kommunizierende Röhrchen, Tubuli25. Die Tubuli können auch zu Bläschen erweitert sein (Abb. 1/1). Gelegentlich bildet das gER, z. B. in den Eizellen, unregelmäßig erweiterte Membranstapel, die Lamellae annulatae26. Normalerweise überwiegt in einer Zelle der Anteil des rER denjenigen des gER. Die glatte Form

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Grundlagen

Abb. 1/5: Profile des rauhen endoplasmatischen Reticulum sowie Mitochondrien und Lysosomen (dunkel). Elektronenmikroskopische (EM) Aufnahme. 8 200:1. Abb. 1/6: GOLGI-Feld, bestehend aus einem Stapel von Cytomembranen und randständigen GOLGI-Vesikeln. EM; Gefrierbruch-Technik. 25 500:1.

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 13

des ER ist besonders bei Zellen vorherrschend, die fettartige Substanzen wie Steroide synthetisieren. Man findet sie in Nebennierenrindenzellen, die Steroidhormone herstellen. Des weiteren dient das gER, wie in Darmepithelzellen, kurzfristig als Lipidspeicher; auch übernimmt es hier den Lipidtransport. Im Muskelgewebe wird über das gER Calcium transportiert und gespeichert (die Ca++-Ionen bedingen die Einleitung der Muskelkontraktion mit). 1.1.1.3.3 GOLGI 27-Felder Diese Organellen sind bei Anwendung spezieller Färbemethoden im Lichtmikroskop als ca. 1 µm lange gebogene Stäbchen oder Häkchen erkennbar (Abb. 2/24, S. 141). Man bezeichnet sie auch als Dictyosomen28. Sie besiedeln in unterschiedlicher Dichte bevorzugt den perinucleären Bereich der meisten Zellen. Im elektronenmikroskopischen Schnittbild erweist sich ein GOLGI-Feld als ein System weitgehend parallel angeordneter Cytomembranen, die eingedellte sackartige Strukturen aufbauen und die, ähnlich einem Satz Schüsseln, zu mehreren ineinandergelagert sind (Abb. 1/6). Bedingt durch die Wölbung des GOLGI-Feldes unterscheidet man eine konvexe (äußere) cis29 -Seite von der die „Schüsselhöhle“ begrenzenden konkaven oder trans30-Seite. Das Lumen der Membransäcke ist an deren Rand regelmäßig zu Cisternen erweitert; diese können sich in Form von Bläschen abschnüren. Während die 5-10 Membransäckchen eines GOLGI-Feldes untereinander nicht verbunden sind, haben die GOLGIFelder miteinander über tubuläre MembranSysteme Kontakt und bauen so umfangreiche GOLGI-Komplexe auf. Die GOLGI-Felder stehen in funktioneller Beziehung zum endoplasmatischen Reticulum. Am Rand der cis-Seite werden Bläschen, die dem ER entstammen, als sog.

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GOLGI, C., 1843-1926, Prof. der Anatomie, Histologie und Pathologie in Turin, Siena und Pavia, Nobelpreis 1906. díctyon (gr.) – Netz; sóma (gr.) – Körper. cís (lat.) – diesseits. tráns (lat.) – jenseits; auch hindurch, hinüber. lyein ´ (gr.) – lösen, sóma (gr.) – Körper. hydor ´ (gr.) – Wasser; l yein ´ (gr.) – lösen. Hydrolytische Enzyme spalten chem. Verbindungen (z. B. Proteine, Lipide) unter Mitwirkung von Wasser.

transitional vesicles in die Membranen des G OLGI-Feldes eingebaut (Aufnahmeseite, Regenerationsseite). An der trans-Seite, als der Abgabe- oder Sekretionsseite, werden dagegen Bläschen, sog. GOLG I-Vesikel, abgeschnürt (Abb. 1/7). An einem GOLGI-Feld halten sich Aufnahme- und Abgabe-Prozesse die Waage; es ist also nicht nur morphologisch, sondern auch funktionell polar gegliedert. Mit dem Einschmelzen der ER-Bläschen gelangen die Synthese-Produkte des ER in die Cisternen der GOLGI-Felder. Hier werden die Proteine weiterentwickelt, umgebaut, kondensiert und reifen heran. Auch werden an Proteine Kohlenhydrate gekoppelt (Glykosylierung), so daß Glykoproteine und Proteoglykane entstehen, die z. B. im Plasmalemm und in der Glykocalix Verwendung finden. Diese Prozesse sind an bestimmte Regionen des GOLGI-Feldes gebunden, die sich jeweils durch den Besitz bestimmter Enzyme auszeichnen. (Beispielsweise sind die Cisternen der trans-Zone reich an saurer Phosphatase.) Die fertigen Produkte sammeln sich in den trans-Cisternen des GOLGI-Feldes an und werden dort in bereitgehaltene, speziell vorbereitete, adaptierte Membrankompartimente eingeschlossen. Hierin zeigt sich die Funktion des G OLGI-Feldes als ein wesentliches MembranDepot der Zelle. Nach Abschnürung der G OLGIVesikel werden deren Inhalte in vielen Fällen als Sekrete nach außen abgegeben. Hierbei verschmelzen regelmäßig die Vesikelmembran und das Plasmalemm miteinander und es kommt zur Exocytose. Dieses Geschehen setzt aber voraus, daß die Vesikelmembran bereits im GOLGI-Feld auf die Membraneigenschaften des Plasmalemm abgestimmt wurde. Dieser Membraneinbau ist für die Erhaltung und Erneuerung des Plasmalemm von großer Bedeutung. 1.1.1.3.4 Lysosomen31 Lysosomen sind mehr oder weniger kugelförmig gestaltete Organellen, die von einer Cytomembran begrenzt sind und die zwischen 25 nm und 2 µm messen (Abb. 1/5, 1/13). Im Gegensatz zu anderen bläschenartigen Organellen, also den Vesikeln, enthalten Lysosomen stets hydrolytische32 Enzyme. Diese werden bei Abbauvorgängen in der Zelle eingesetzt; aufgrund der lytischen = auflösenden Wirkung der Bläschen erhielten sie den Namen Lysosomen. Insgesamt sind heute ca. 40 lysosomale Enzyme bekannt,

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Abb. 1/7: Zusammenwirken von GOLGI-FELD, endoplasmatischem Reticulum und Lysosomen im Sinne des GERL-Komplexes. Schema. a – GOLGI-Feld, b – rER, c – primäres Lysosom, d – sekundäres Lysosom, e – Residual-Lysosom, f – Autophagosom, g – Endocytose, h – Exocytose. Erklärung siehe Text.

die sich auf vier Haupt- Gruppen verteilen: Peptidasen, Glykosidasen, Lipasen und Nucleasen. Insofern werden die Lysosomen als „intrazelluläres Verdauungssystem“ interpretiert. Lysosomen sind, je nach Reifegrad, Funktionszustand und enthaltenen Enzymen, unterschiedlich dicht granuliert. Sie bilden eine heterogene Organellengruppe, deren Glieder oftmals nur schwer identifizierbar sind. Als relativ sicheres Kennzeichen gilt der Nachweis des Enzyms saure Phosphatase.

Es werden primäre und sekundäre Lysosomen voneinander unterschieden: Primäre Lysosomen sind nur von hydrolytischen Enzymen erfüllt, sie enthalten noch kein abzubauendes Material (Substrat) und sind somit inaktiv. Sie entstammen entweder direkt dem ER oder den G OLGI-Feldern, von denen sie jeweils abgeschnürt werden. Die Lysosomen-Entstehung wird in Zusammenspiel von GOLGI-Feldern, Endoplasmatischem Reticulum und Lysosomen als im „GE RL-Komplex“ ablaufend be-

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trachtet (Abb. 1/7). – Sekundäre Lysosomen entstehen, wenn ein primäres Lysosom mit einem „Substrat-Vesikel“ verschmilzt, der zelleigenes oder phagocytiertes Material enthält, das von Enzymen abgebaut wird. Als Ergebnis dieser Abbautätigkeit bleibt ein Restkörper (Residual33Lysosom) übrig, der aus der Zelle ausgestoßen werden kann oder aber, z. B. als farbiges Pigment (wie das rötliche Lipofuscin), in der Zelle liegen bleibt. In vielen Fällen können die lysosomalen Abbauprodukte aber auch in die cytoplasmatische Matrix gelangen und für weitere Synthesen Verwendung finden. Die bereits genannten Substrat-Vesikel werden, obwohl sie keine Enzyme enthalten, den Lysosomen zugerechnet. Enthalten sie zelleigenes Material, wie z. B. überalterte Mitochondrien, werden sie als autophagische34 Vesikel bezeichnet; umschließen sie dagegen Materialien, die aus der Umgebung der Zelle aufgenommen wurden, dann liegen heterophagische35 Vesikel vor. Die sich bildenden sekundären Lysosomen werden dann entsprechend Autophago(lyso)somen bzw. Heterophago(lyso)somen genannt. Von besonderer Bedeutung ist die Lysosomenmembran. Sie stellt eine Cytomembran dar, die durch vermehrten Einbau von Glykoproteinen eine erhöhte Stabilität erlangt. Sie hat die Aufgabe, die Zellmatrix samt den darin liegenden Strukturen und Organellen von der auflösenden Wirkung der Hydrolasen abzugrenzen bzw. fernzuhalten. Wird die Lysosomenmembran verletzt oder durch UV- oder Röntgenstrahlen geschädigt, dann treten die Enzyme in die Matrix über und führen zur Auflösung („Lysis“) der Zelle. Werden in Gewebsarealen größere Mengen von Hydrolasen freigesetzt, bewirken diese eine Gewebeautolyse. Dies ist z. B. der Fall bei eitrigen Geschwüren (Abszessen) sowie nach Eintritt des Todes, wenn die Lysosomen-Membranen platzen.

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resíduum (lat.) – Rückstand, Rest. autós- (gr.) – selbst, eigen; phágein (gr.) – fressen, essen. héteros (gr.) – anders, fremd, verschieden. krínein (gr.) – schneiden, trennen; phageín (gr.) – fressen, essen (Abgeschiedenes auffressen). (Wasserstoff)peroxid enthaltende Körper (sóma, gr. Körper). microbody (engl.) – kleiner Körper.

Es gibt erblich bedingte Mangelkrankheiten, bei denen die Lysosomen in nur geringer Anzahl und mit unvollständigem Enzymbesatz gebildet werden. Dies führt zu einer übermäßigen Anhäufung der entsprechenden Substrate in der Zelle und damit verbunden zu einer Einschränkung der Aktivitäten der übrigen Zellorganellen. Solche „Speicherkrankheiten“ können sich z. B. als Lipidosen (Anhäufung von Lipiden bei Fehlen von lipidspaltenden Enzymen) oder als Glykogenosen (Anhäufung von Glykogen bei Fehlen glykogenolytischer Enzyme) äußern. Zu den Lysosomen gehören auch die multivesikulären Körper (multivesicular bodies), die als rel. große Bläschen eine Vielzahl kleiner Vesikel enthalten, die ebenfalls membrangebunden sind. Man findet die multivesikulären Körper hauptsächlich in endokrinen und exokrinen Drüsenzellen. Offenbar sind sie befähigt, überschüssig produzierte Produkte gleich wieder “aufzufressen” (Krinophagie36 ). 1.1.1.3.5 Peroxisomen37 Diese auch Microbodies38 genannten Organellen sind den Lysosomen sehr ähnlich. Es handelt sich um runde bis ovale Körperchen mit einem Durchmesser von ca. 30 nm, die von einer einfachen Cytomembran begrenzt sind und einen dichten, meist feingranulären oder auch kristallinen Inhalt haben. Sie enthalten Oxidasen (Peroxidasen) und Katalase und sind befähigt, einerseits Wasserstoffsuperoxid (H2O2) zu bilden, andererseits dieses in Wasser zu spalten. Dies ist erforderlich, weil H2O2 ein Zellgift ist. Peroxisomen kommen in allen Zellen vor. Besonders häufig sind sie in Leberepithelzellen; die einzelne Leberzelle kann ca. 1 000 Peroxisomen enthalten. Wahrscheinlich entstehen sie durch Abschnürung am gER, sie könnten aber auch von den freien Ribosomen der Matrix synthetisiert werden. Peroxisomen können wachsen und sich dann durch Teilung vermehren. Bei bestimmten Insekten, wie den Leuchtkäfern („Glühwürmchen“), sind die Peroxisomen für deren Leuchtverhalten (Biolumineszenz) verantwortlich: sie enthalten das Protein Luziferase, das das Protein Luziferin unter Freisetzung von Photonen (Licht!) oxidiert.

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Grundlagen

1.1.1.3.6 Vakuolen39 Als Vakuolen werden besonders große, membrangebundene Vesikel bezeichnet, die Flüssigkeiten oder auch geformte Materialien enthalten, aber stets frei von Enzymproteinen sind. Sie dienen vor allem der Speicherung und dem Transport unterschiedlicher Materialien in der Zelle. Durch Zusammenfließen vieler kleiner Vesikel können sich sehr große Speicherbläschen ergeben, wie z. B. bei „univakuolären Fettzellen“, die in der Regel nur eine, fast die ganze Zelle einnehmende fettgefüllte Vakuole besitzen (vgl. S. 121). 1.1.1.4

Organellen des Cytoskeletts

Das Cytoplasma ist von verschiedenen röhrenund fadenartig gestalteten, sehr dünnen und teilweise verzweigten Strukturen durchzogen (Abb. 1/1), die die Zelle einerseits aussteifen, andererseits auch bei Bewegungsvorgängen in der Zelle mitwirken. Sie werden unter dem Begriff „Cytoskelett“ zusammengefaßt. Unterschieden werden Mikrotubuli, Mikrofilamente, Intermediärfilamente und das Mikrotrabekelwerk. Allen diesen Organellen ist gemeinsam, daß sie aus Strukturproteinen bestehen. 1.1.1.4.1 Mikrotubuli40 Mikrotubuli durchziehen die Zelle als mehrere µm lange, weitgehend gerade verlaufende, starr erscheinende Röhren. Sie kommen einzeln oder zu Bündeln zusammengefaßt vor. Ein Teil der Mikrotubuli ist auf das Centriol (s. u.) hin ausgerichtet, von dem sie abstammen. Der Durchmesser der Mikrotubuli beträgt ziemlich konstant 24 nm, wobei auf die Wand 5 nm und auf den lichten Durchmesser 14 nm entfallen. Ein Mikrotubulus besteht aus 13 parallel verlaufenden und mit einem Steigungswinkel von 10° spiralig und kreisförmig zueinander angeordneten Tubulinprotofilamenten41, die jeweils einen Durchmesser von 5 nm haben.

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vácuus (lat.) – leer, frei; hier: „freie“ Räume innerhalb des Cytoplasmas. mikrós (gr.) – klein, gering; túbus (lat.) – Röhre, túbulus – Röhrchen. prótos (gr.) – erster, frühester; fílum (lat.) – Faden; also: „Vorfaden“

Abb. 1/8: Mikrotubulus. Das Röhrchen besteht aus 13 kreisförmig und spiralig angeordneten Tubulinprotofilamenten (rot), die ihrerseits aus TubulinDimeren bestehen. Bei der Tubulinprotofilamentbildung lagert sich immer das β-Ende eines Tubulins an das α-Ende des Protofilaments; am anderen Mikrotubulus-Ende ist es entsprechend umgekehrt.

Die Tubulinprotofilamente werden ihrerseits von länglich-globulären Eiweißkörpern aufgebaut, den Tubulin-Dimeren (Abb. 1/8). Diese sind ca. 8 nm lang und bestehen aus zwei Untereinheiten, einem α- und einem β-Tubulin. Bei der Bildung eines Tubulinprotofilaments lagern sich die Dimeren immer gerichtet aneinander: auf das α-Ende eines im Protofilament terminal stehenden Tubulin-Dimers folgt das β-Tubulin des nächsten Tubulin-Dimers; am entgegengesetzten Ende des Tubulinprotofilaments bindet entsprechend ein β-Tubulin ein bindungswilliges Dimer an dessen α-Tubulin. Hierdurch kommt am Tubulinprotofilament und schließlich am Gesamt-Mikrotubulus eine charakteristische Polarität zustande. Durch „richtiges“ (polarisiertes) Anlagern von Tubulin-Dimeren verlängern sich die Tubulinprotofilamente bzw. die Mikrotubuli

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an beiden Enden; bei Abbauvorgängen können Tubulin-Dimeren wieder freigesetzt werden (Assemblierung und Deassemblierung), um sich gegebenenfalls anderen oder neu bildenden Tubulinprotofilamenten bzw. Mikrotubuli anzuschließen. Das System der Mikrotubuli ist somit sehr rasch veränderlich und der jeweiligen Zell-Situation anpaßbar. So werden z. B. bei Zellen, die ihre Form verändern, an den Stellen, die sich aus dem Zelleib heraus entwickeln, vermehrt Mikrotubuli eingebaut; an Zellbereichen, die „eingezogen“ werden, verschwinden sie. Somit sind die Mikrotubuli als sehr dynamisches Stützsystem der Zelle aufzufassen. Eine weitere Funktion der Mikrotubuli besteht darin, daß sie als Leitstrukturen beim intra11oder transzellulären30 Transport dienen: So sollen die Vesikel, die vom ER zum GOLGI-Feld zu überführen sind, auf den Mikrotubuli wie auf Schienen gleiten oder rollen. Auch Pigmente werden entlang der Röhrchen in der Zelle verfrachtet und die Bewegungen der Chromosomen, die diese während der Zellteilung (vgl. S. 33) ausführen, erfolgen entlang von Mikrotubuli, die dann als sog. „Fasern“ der Teilungsspindel lichtmikroskopisch sichtbar sind. Mikrotubuli kommen nicht ausschließlich als individuelle Zellorganellen vor, sondern sind auch am Aufbau von Centriolen, Geißeln und Cilien beteiligt. Bei den Centriolen (Abb. 1/1) handelt es sich um die sog. Zentralkörperchen, die bei teilungsfähigen Zellen nahe am Zellkern gelegen sind und die mit einem Durchmesser von ca. 0,3 µm im Lichtmikroskop noch erkennbar sind. Im Centriol sind die Mikrotubuli zu sog. Triplets zusammengefaßt (Abb. 1/9): Jeweils 3 Mikrotubuli liegen eng parallel und teilweise miteinander verschmolzen zusammen; 9 Triplets bilden dann ein Centriol. Charakteristisch ist, daß jeweils der innere Mikrotubulus (A) eines Triplets über eine Protein-Querbrücke mit dem äußeren Mikrotubulus (C) des benachbarten Triplets verbunden ist. Außerdem sind die Triplets zum Zentrum des Centriols hin über dichteres Material stabilisiert, das im Elektronenmikroskop als Sternfigur erscheint. Entsprechendes Material ist außen den Triplets in Form der „Satelli-

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kínein (gr.) – bewegen; sóma (gr.) – Körper. kínein (gr.) – bewegen; cílium (lat.) – Wimper.

Abb. 1/9: Centriol im Querschnitt. a) Elektronenmikroskopische Originalaufnahme (EM) von Ch. SPRISSLER, Tübingen; 60 000 : 1, b) Schema. Es bilden jeweils ein innerer (A), mittlerer (B) und äußerer Mikrotubulus (C) ein Triplet; 9 Triplets bilden das Centriol. a – Satellit.

ten“ oder „pericentriolären Körper" angelagert. Diese Strukturen sind wohl, im Zusammenspiel mit ER und GOLGI-Feld, für die Neubildung der Mikrotubuli verantwortlich („MikrotubulusOrganisationszentrum“). Eine vermehrungsund damit teilungsfähige Zelle hat in der Regel ein Paar von Centriolen. Diese liegen als Diplosom (Abb. 1/1) eng beieinander und sind senkrecht zueinander orientiert. Im umliegenden, etwas verdichteten Cytoplasma liegen GOLGIFelder; den Bereich um das Centriol inclusive G OLGI-Feld und Zellkern nennt man Cytocentrum oder Centrosom. Die Centriolen gelten als das Bewegungszentrum einer Zelle. So wird bei der Zellteilung (s. S. 33) die Teilungsspindel vom Centriol geliefert und die während des Teilungsgeschehens auseinanderstrebenden Centriolen bestimmen die Teilungsrichtung. Bei Zellen, die eigenbewegliche Fortsätze haben, induzieren neu gebildete Centriolen am Plasmalemm die Neubildung von Kinocilien und werden dann zum Kinetosom42 . Kinocilium43 mit Kinetosom sowie Geißel: Kinocilien und Geißeln sind eigenbewegliche

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Grundlagen

Abb. 1/10: Geißel oder Kinocilium im Längsschnitt. Schema. Die Basis der Cilie ist über das a – Kinetosom und die b – Wurzelfasern in der Matrix verankert.

Fortsätze, die an der Oberfläche bestimmter Zellen auftreten und die durch ihren Schlag das auf der Zelle liegende Medium transportieren (Kinocilien) oder aber die Zelle selbst zur Ortsveränderung veranlassen, wie die Geißel einer Samenzelle (Spermium). Kinocilien und Geißeln entsprechen in ihrem Bau einander weitgehend. Unterschiede bestehen in der Art ihres 44

áxis (lat.) – Achse; nématos (gr.) – Faden.

Vorkommens: Kinocilien besetzen in großer Anzahl bestimmte Zelloberflächen, wie bei Flimmerzellen im Atemtrakt; Geißeln treten nur einzeln auf, wie das einzige Beispiel für den Menschen, das Spermium, zeigt. Die Basis eines Kinociliums besteht aus dem Basalkörperchen oder Kinetosom, von dem die Bildung des Kinociliums ausgeht. Es liegt direkt unter dem Plasmalemm und ist senkrecht zu diesem orientiert. Das Kinetosom gleicht in seinem Bau dem Centriol (Abb. 1/10). Seitlich am Kinetosom liegt ein quergestreifter Basalfuß, der auf einen Satelliten, das MikrotubulusOrganisationszentrum, zeigt oder diesen trägt. Die Basalfüße benachbarter Basalkörperchen sind immer gleichsinnig orientiert und zeigen zum nächstliegenden Kinetosom. Die Basis des Kinetosoms ist mit ebenfalls quergestreiften Wurzelfasern, die zusammen den Wurzelfuß bilden, in der Matrix verankert. Der Kinetosomenkörper besteht aus (9 x 3 Mikrotubuli-)Triplets, von denen die inneren beiden Mikrotubuli sich als „Doubletten“ in den Schaft des Kinociliums fortsetzen. Auf der Höhe der Cilienbasis, also an der Spitze des Kinetosoms, entspringt ein weiteres Paar von Mikrotubuli, das zentral den Cilienkörper (Cilienfaden oder Axonema44) durchläuft. Damit ist das Querschnittsbild des Kinociliums mit peripher 9 Paaren parallellaufender Mikrotubuli und einem zentral gelegenen Tubuluspaar festgelegt; man spricht von der „9 x 2 + 2-Struktur“ der Kinocilie (und auch der Geißel) (Abb. 1/11). Im Bereich der freien, bis zu 10 µm aus der Zelle herausragenden Cilie ist das Axonema allseits vom Plasmalemm umgeben, es stülpt die Zellhaut sozusagen aus. Während die zentralen Mikrotubuli als Einzel-Tubuli die Cilie durchlaufen, sind die Tubuli der äußeren neun Paare längs miteinander verschmolzen. Auch verbinden kurze, einseitig ausgebildete „Ärmchen-Paare“ die benachbarten Tubuluspaare miteinander, sog. „Speichen“ führen jeweils zum zentralen Mikrotubuluspaar. Ärmchen und Speichen bestehen aus Dynein, einem energiebereitstellenden Protein (Motorprotein) mit ATPase-Funktion (s. S. 78). Beim Cilienschlag greifen die Dynein-Ärmchen zum benachbarten Cilienpaar herüber und bewegen sich unter Energieverbrauch etwas an diesem entlang, so daß sich beide Cilienpaare gegeneinander verschieben und letztlich die Cilie sich abbiegt. Der Cilienschlag wird also bewirkt über einen Gleitmechanismus,

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daß sie gruppenweise und koordiniert schlagen und sich entsprechend aufrichten. Benachbarte Cilien berühren sich hierbei nicht. Die Schlagsteuerung scheint also über ein viskositätsbedingtes, hydrodynamisches Mitnehmersystem zu erfolgen. An bestimmten Oberflächen-Geweben, wie z. B. dem der Luftröhre, schlagen die Kinocilien ungefähr 20 mal/sec. und bewirken damit einen – ebenfalls gerichteten – Flüssigkeitsstrom (Abb. 1/12).

Abb. 1/11: Kinocilien im Querschnitt. a) EM von Dr. M. WITT, Tübingen; 60 000:1. b) Schema. Innerhalb des Plasmalemm (a) liegt der Cilienkörper, der außen 9 Mikrotubulus-“Doubletten“, die über Dyneine miteinander verbunden sind, umfaßt; innen liegt das zentrale Tubuluspaar, zu dem sog. Speichen hinführen.

der zwischen benachbarten Tubuluspaaren stattfindet, ähnlich dem Gleitmechanismus zwischen den Actin- und Myosinfilamenten der Muskulatur (vgl. S. 182). Das Kinetosom gilt als Bewegungszentrum der Kinocilie. Bei kinocilienreichen Zellen erfolgt der Cilienschlag, genetisch festgelegt, stets in gleiche Richtung, wobei für größere Gewebeareale ein wellenartiger Bewegungsablauf festzustellen ist; während in einem Bereich die Kinocilien die rasche Schlagbewegung ausführen, machen entfernter befindliche Cilien die langsamere Rück- oder Aufrichtungsbewegung durch. Dieser koordinierte, metachrone45 Cilienschlag (Abb. 1/12) wurde zunächst über eine wellenartig erfolgende elektrische Kopplung der Cilien bzw. der Kinetosomen erklärt. Inzwischen nimmt man an, daß die Cilien, die primär alle eine eigene, spontane Schlagrhythmik haben, über die Viskosität des Umgebungsmediums (Wasser, Schleim) so aneinandergekoppelt sind, 45

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metá (gr.) – nach, zwischen, inmitten, hinter; chrónos (gr.) – Zeit. Hier: gerichtetes, aber zeitlich versetztes Schlagen der Zilien. míkros (gr.) – klein, gering; fílium (lat.) – Faden, Gespinst.

Abb. 1/12: Metachroner Schlag der Kinocilien eines „Flimmerepithels“. Schema. Der Pfeil gibt die Schlagrichtung der Cilien und damit die Transportrichtung an. Dem verunreinigten Flüssigkeitsstrom wird der Schleim einer a – Becherzelle beigemengt. (Kinociliensaum überhöht dargestellt.)

Geißeln (Flagellen) sind, wie bereits betont, in ihrer Struktur den Cilien sehr ähnlich. Allerdings sind sie beträchtlich größer: Die Geißel des menschlichen Spermium ist ca. 60 µm lang. Durch ihren schlängelnden, propellerartigen Schlag verleiht sie dem Spermium mit ca. 3 mm pro min. einen erheblichen Vorwärts-Impuls. 1.1.1.4.2 Mikrofilamente46 Als Mikrofilamente (Abb. 1/1) bezeichnet man 5-7 nm dicke fädige Strukturen, die sich im Hyaloplasma jeder Zelle vereinzelt oder zu Bün-

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Grundlagen

deln zusammengefaßt befinden. Sie besiedeln hauptsächlich das unter dem Plasmalemm gelegene Cytoplasma sowie „Füßchen“ (Pseudopodien) und Zellfortsätze, die bei Bewegungen ausgestülpt werden. Sie sind mit für das Bewegungsgeschehen der Zelle entscheidend und können, je nach Erfordernis, ihre Lage zueinander rasch ändern. Besonders in aktiv beweglichen Zellen, wie den amöboid „kriechenden“ Makrophagen47, sind sie sehr häufig und machen bis zu 30 % des Zell-Eiweißes aus; bei nicht oder weniger deutlich beweglichen Zellen entfallen 1-15 % der Zellproteine auf Mikrofilamente. Die Mikrofilamente bestehen im wesentlichen aus dem Protein Actin, das mit dem selteneren Myosin vergesellschaftet sein kann. Beide, Actin- und Myosinfilamente, kennzeichnen das Muskelgewebe (s. S. 175), das ja rasche und ausdauernde Bewegungsvorgänge ermöglicht; 50 % des Gesamtproteins von Skelettmuskelfasern entfallen entsprechend auf Actin- und Myosinfilamente. Dem Muskelactin ist das cytoplasmatische Actin recht ähnlich. Beide Filamente haben vergleichbare molekulare Struktur und verbinden sich beide mit dem Meromyosin, das eine Untereinheit der Myosinfilamente des Muskelgewebes darstellt. Bei der Muskelkontraktion wirken Actin- und Myosinfilamente, die im Sinne eines Acto-Myosin-Kontraktionssystems ineinandergleiten, zusammen. In Nicht-Muskelzellen liegen ähnliche Verhältnisse vor, wenn auch eine streng geregelte Anordnung der Filamente nicht beobachtbar ist. Muskelzellen enthalten außer den für die Kontraktion erforderlichen Myosinfilamenten auch noch geringe Mengen an nicht muskulären Myosinen. Dies sind Myosine, welche auch in Nicht-Muskelzellen enthalten sind. Sie liegen zusammen mit den Actinfilamenten unter dem Plasmalemm und bedingen die weniger umfangreichen Bewegungen des Plasmalemms und der Zelle. Auch scheinen sie beim Transport von Zellinhalten und bei Verschiebungen des Cytoplasmas mitzuwirken und ein eher diffus organisiertes Stützwerk der Zelle abzugeben. Da diese Myosine in nur geringen Mengen und meist im Hyaloplasma gelöst vorkommen, wer-

47 48

mákros (gr.) – groß; phágein (gr.) – fressen, essen. tónos (gr.) – Spannung, Ton, Strick; fílum (lat.) – Faden, Gespinst.

den sie nicht als Filamente sichtbar, wie dies bei Muskelzellen der Fall ist. Sie charakterisieren bewegliche Zellen, die kein ausgesprochenes Acto-Myosin-Kontraktionssystem haben. 1.1.1.4.3 Intermediäre Filamente Hierunter fallen röhrenförmige Strukturen des Cytoskeletts, die einen Durchmesser von 8-14 nm haben und damit „intermediär“ zwischen den Mikrofilamenten (5-7 nm) und den Mikrotubuli (24 nm) liegen (Abb. 1/1, S. 5). Die Filamente sind bis zu mehreren µm lang, verlaufen gestreckt, können verzweigt sein und Bündel bilden. In manchen Zellen sind sie sehr häufig und machen bis zu 50 % der Proteine des Cytoplasmas aus. Obwohl die Intermediärfilamente unterschiedlicher Zellsysteme sich morphologisch nicht voneinander unterscheiden, lassen sich bislang aufgrund ihrer uneinheitlichen Protein-Bausteine mehrere Unterklassen von Intermediärfilamenten bestimmen, die jeweils die Zellen der verschiedenen Gewebsarten charakterisieren: In Epithelzellen liegen Cytokeratinfilamente, im Muskelgewebe sind es Desminfilamente, bei Gliazellen finden sich Gliafilamente und Neurofilamente charakterisieren Neuronen = Nervenzellen. Vimentinfilamente besiedeln die Nachfahren des embryonalen Bindegewebes (Mesenchym, vgl. S. 107), kommen also u. a. bei Bindegewebs- und Stützzellen vor. Und schließlich belegt ein feinfädiges Protein- Netzwerk, bestehend aus Nucleärem Laminin, die Innenseite der Kernhülle. Die biologische Funktion der Intermediärfilamente ist nicht umfassend bekannt. Man nimmt an, daß sie die Zelle zu einem druck- und zugbelastbaren Gebilde aussteifen. Hierfür spricht, daß sie an der Innenseite des Plasmalemms, an den Haftpunkten zu Nachbarzellen (vgl. Abb. 1/1, S. 5) und auch an der Hülle des Zellkerns verankert sind. Dies ist besonders deutlich in Epithelzellen, bei denen die Intermediärfilamente als Tonofilamente48 (lichtmikroskopisch: Tonofibrillen) bezeichnet werden (Abb. 1/1, 1/13). In Nervenzellen sind die Intermediärfilamente möglicherweise für den Transport bestimmter Zellprodukte von Bedeutung (langsamer axoplasmatischer Transport, vgl. S. 139). Ganz allgemein dürfte den Intermediärfilamenten eine Gerüstfunktion zukommen. Jedenfalls sind die Intermediärfilamente, ganz im

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 21

Abb. 1/13: Tonofilamente. EM. Eine Vielzahl mehr oder weniger parallel orientierter Filamente bilden Bündel, die in unterschiedlicher Richtung die Zellen durchziehen. Am unteren Bildrand ein Mitochondrium sowie ein Lysosom (dunkel, rechts). 38 400:1.

Gegensatz zu Mikrofilamenten, ziemlich stabile Strukturen, die relativ resistent selbst gegenüber Lyse-Vorgängen in der Zelle sind. 1.1.1.4.4 Mikrotrabekel 49 Mikrotrabekel sind bis zu 15 nm dicke bälkchenartige Strukturen, die unregelmäßig verzweigt sind und die das Mikrotrabekelgitter aufbauen (Abb. 1/14). Dieses dreidimensionale Netzwerk durchzieht das ganze Cytoplasma und ist mit allen Zellorganellen in Kontakt; es hält die Organellen gewissermaßen in ihrer jeweiligen, momentanen Position. Die einzelnen Haftpunkte der Trabekel können sich bei Bedarf lösen und wieder neu bilden, so daß das Bälkchenwerk kein statisches, sondern ein stets veränderliches und verformbares Gebilde ist. Stirbt die 49

míkros (gr.) – klein, gering; trábs (lat.) – Balken; trabécula – Bälkchen.

Zelle ab, lösen sich die Haftpunkte und das Cytoplasma „zerfließt“, die Zelle verliert ihre distinkte Form. Zusammen mit den Mikrotubuli und Filamenten hat das Mikrotrabekelgitter eine wichtige Funktion im Rahmen des Gesamtcytoskeletts. Aufgrund seiner (vom Calcium-Gehalt der Zelle abhängigen) Veränderlichkeit ist es in der Lage, sich dem Wassergehalt der Zelle anzupassen und diesen mit zu regulieren. Auch an Transportprozessen, die an intrazelluläre Wasserverschiebungen gebunden sind, ist das Mikrotrabekelgitter beteiligt. Die Mikrotrabekel bestehen aus einer Vielzahl von Proteinen, hauptsächlich aus Actin, Myosin und Tubulin. Außerdem können EnzymProteine in die Bälkchen eingebaut sein. Das Mikrotrabekelgitter wurde erst in den letzten Jahren endgültig erkannt. Am üblicherweise extrem dünnen elektronenmikroskopischen Schnittpräparat (50 nm) ist es nicht erkennbar und die Möglichkeit, relativ dicke Schnitte (1 µm) samt intaktem Trabekelwerk zu durch-

22

Grundlagen

Abb. 1/14: Mikrotrabekelgitter, im Matrix-Bereich zwischen den Zellorganellen gelegen und mit diesen stabilisierend verhaftet. Schematische, dreidimensionale Darstellung. a – Mikrotrabekel, b – Haftpunkte, c – Intermediärfilament bzw. -Bündel, d – Mikrofilament, e – Mikrotubulus, f – Mitochondrium, g – glattes endoplasmatisches Reticulum (ER), h – rauhes ER, i – Ribosom, j – Polysom, k – Plasmalemm.

strahlen und abzubilden, war erst nach der Entwicklung des Hochspannungs-Elektronenmikroskops gegeben. 1.1.1.5

Paraplasmatische50 Einschlüsse

Unter diesem Begriff werden Cytoplasmaeinlagerungen verstanden, die entweder von der Zelle selbst synthetisiert oder von außen in die Zelle aufgenommen wurden. Dabei können die-

50

51

pára (gr.) – neben, bei, nebenher; plásma (gr.) – Geschaffenes, Geformtes. lípos (gr. ) – Fett, Öl.

se Materialien entweder Ausgangs- oder Endprodukte eines Stoffwechselvorganges sein; auch kann es sich um Zwischenprodukte der Zelle handeln, die über einen gewissen Zeitraum gespeichert werden. Große paraplasmatische Einschlüsse werden im Lichtmikroskop als gefärbte und ungefärbte Körnchen, Kristalle oder Bläschen sichtbar. Sie bestehen aus Fetten, Kohlenhydraten, Proteinen und Pigmenten. Fettstoffe (Lipide51) kommen nicht nur in den typischen Fettzellen vor, sondern auch in den Zellen verschiedener Organe, wie den Hormondrüsen, der Leber oder dem Darm. Das eingelagerte Fett bildet kleine Tröpfchen, die auch zu größeren Einheiten zusammenfließen können; dies trifft besonders für Fettzellen zu. Grö-

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 23

ßere, lichtmikroskopisch erkennbare Lipidtröpfchen nennt man Fettvakuolen. Nur sehr kleine Lipidtröpfchen sind „membrangebunden“, d. h. von einer Einheitsmembran umgeben. Größere Fetttröpfchen werden gegenüber der Matrix über eine „kondensierte“ Lipidzone begrenzt, auf die parallelorientierte reifenartig umlaufende Mikrofilamente folgen (Fettvakuole). Fette, die als Sekret von einer Zelle abgeschieden werden, wie etwa die Milchfett-Tröpfchen, sind von einer einfachen Cytomembran umgeben. Glykogen52 ist die hochpolymere (aus zahlreichen Einzelbausteinen bestehende) Form des Einfachzuckers Glucose. Bei kurzfristig erforderlichem Energiebedarf ist es rasch zu Glucose abbaubar, die dann unter Energiegewinnung „verbrannt“ wird (vgl. S. 75). Glykogen ist also ein Energiespeicher auf Kohlenhydratbasis. Glykogen besiedelt die Zellmatrix in Form kleiner Granula, die 15-30 nm Durchmesser haben. Haufenartig zusammengelagerte Glykogengranula werden als „Glykogenrosetten“ (Abb. 1/1) bezeichnet. Glykogenreich sind Leberzellen, Herzmuskelzellen und die Epithelzellen der Scheide. Proteine des Cytosols erscheinen im elektronenmikroskopischen Bild – wenn überhaupt – als eben erkennbare, kleinste Partikel. In nur wenigen Zellformen findet man die Proteine als größere korpuskuläre Strukturen. Für die Zwischenzellen des Hodens (s. S. 730) ist deren Gehalt an bis zu 5 µm dicken und bis zu 20 µm langen Eiweißkristallen charakteristisch. Sie bestehen aus filamentösen Proteinketten, die zu einem streng regelmäßigen geometrischen Raumgitter angeordnet sind. Die Funktion der Kristalle ist unbekannt. Pigmente sind Zelleinschlüsse, die aufgrund ihrer Eigenfarbe auffallen. Umfangreiches Pig52

53

54 55 56 57 58 59 60 61

glyk ys ´ (gr.) – süß. Hier: wegen des Gehaltes an Glucose. haíma (gr.) – Blut; glóbus (lat.) – Kugel. Hier: kugelförmiges Molekül. síderos (gr.) – Eisen. férrum (lat.) – Eisen. bílis (lat.) – Galle; rúber (lat.) – rot. víridis (lat.), vert (franz.) – grün. ídes (gr.) – ähnlich. mélas (gr.) – schwarz. lípos (gr.) – Fett, Oel; fúscus (lat.) – düster, dunkel. ánthrax (gr.) – Kohle.

mentvorkommen färbt die ganze Zelle. Nach ihrer Herkunft unterscheidet man zwei Pigmentgruppen: Endogene Pigmente, die in der Zelle selbst entstanden sind, und exogene Pigmente, die von außerhalb des Körpers stammen und in die Zelle aufgenommen und eingelagert wurden. Endogene Pigmente. Hämoglobin53, der rote Blutfarbstoff, kommt in den roten Blutkörperchen (vgl. S. 276) vor. Das beim Abbau des Hämoglobins freigesetzte Eisen wird in Proteine, wie z. B. das gelbbraune Hämosiderin 54, das als Pigment in bestimmten Zellen der Milz (vgl. S. 351) gespeichert wird, oder das gelbliche Ferritin55, eingebaut. Andere Hämoglobinabbauprodukte sind eisenfrei, wie die Gallenfarbstoffe Bilirubin56 (orangerot) und Biliverdin57 (grünlich) sowie das Hämatoidin58 (gelbbraun). – Als Stoffwechselprodukt des Eiweißstoffwechsels fällt das dunkelbraune bis schwarze Melanin59 an, das besonders in den die Hautfarbe bedingenden Pigmentzellen, den Melanocyten, und in den Zellen der Haare gespeichert wird. – Lipofuscin60 ist ein bräunlich-rötliches Pigment, das dem Fett(Lipid)-Stoffwechsel entstammt. Die LipofuscinKörnchen werden in Lysosomen, den „Rest“oder „Residualkörpern“, membrangebunden gespeichert. Im Alter sind besonders die Herzmuskelzellen, Leber- und Nervenzellen reich an Lipofuscin; man bezeichnet es deshalb auch als Alters- oder Abnützungspigment. Exogene Pigmente. Diese „Farbstoffe“ entstammen der Umwelt des Körpers und gelangen über die Atemwege, durch die Haut oder bei Verletzungen in den Körper. Eingeatmeter Kohlenstaub, Ruß, und andere Fremdpartikel werden von besonderen Zellen des unspezifischen Abwehrsystems des Körpers (vgl. S. 266), den Makrophagen, aufgenommen und in Phagolysosomen oder „Phagosomen“ gespeichert (Abb. 1/7). Aufgrund jahrzehntelanger Aufnahme und Speicherung exogener Pigmente verfärben sich manche Organe dunkel: Es kommt zu deren Anthrakose61, z. B. bei der Lunge oder den Lymphknoten.

1.1.2

Zellkern, Nucleus

Mit Ausnahme der reifen roten Blutkörperchen enthalten alle Zellen des menschlichen Körpers einen Zellkern (Abb. 1/1, S. 5). Zellkern und Cy-

24

Grundlagen

toplasma ergänzen sich zur Funktionseinheit Zelle. Der Zellkern birgt nahezu die gesamte genetische Information der Zelle und wird so zur Steuerungszentrale der allermeisten cytoplasmatischen Vorgänge und Zellfunktionen. Besonders große und hochaktive Zellen können zwei oder mehrere Kerne besitzen, wie Leberepithelzellen oder Osteoklasten (vgl. S. 128). Die Gestalt des Zellkerns liegt nicht eindeutig fest; sie ändert sich, wenn die Zelle von der Arbeitsphase in die Teilungsphase (Mitose62) übergeht. Nur die zwischen zwei Teilungsphasen befindliche Zelle, also die hochaktive InterphaseZelle, hat den membranumfaßten typischen Zellkern. Während der Mitose löst sich die Kernmembran auf und der Kerninhalt durchmischt sich mit dem Cytoplasma. Dabei werden – bei entsprechender Anfärbung – die Träger der Erbinformation, die Chromosomen, als stäbchenartige Gebilde sichtbar. Das Nachfolgende bezieht sich auf den Interphasekern. Zellkerne sind in Größe und Form variabel. Langgestreckte Zellen haben meist einen in Längsrichtung der Zelle orientierten ovalen Kern, runde und kubische Zellen einen runden zentral gelegenen. Auch können die Kerne in Abhängigkeit von der Zellart gelappt oder eingebuchtet sein. In der Regel stehen Kernvolumen und Cytoplasmavolumen in einem bestimmten Verhältnis zueinander, das als Kern-Plasma-Relation ausgedrückt wird. Dieses Verhältnis ist für Zellen unterschiedlicher Gewebe jeweils etwas verschieden und charakteristisch. Aber auch dieses Verhältnis liegt nicht absolut fest. Sofern eine Zelle ihre Leistungsfähigkeit maximal steigert, wird eine Zellkern-Vergrößerung oder Schwellung (Aktivitätshypertrophie63) erkennbar. Inaktive Zellen besitzen dagegen regelmäßig einen verkleinerten Zellkern (Inaktivitätshypotro-

phie64). Ist eine Zelle dem Absterben nahe, dann wird zunächst der Zellkern zurückgebildet, er wird dicht und klein (pyknotisch). Bei lichtmikroskopischer Untersuchung ist der Zellkern stets durch eine Kernmembran deutlich gegenüber dem Cytoplasma abgegrenzt. Im Innern des Kerns liegt das Karyoplasma, das bei der lebenden Zelle weitgehend leer, homogen, erscheint. Bei abgetöteten (fixierten) und angefärbten Zellen enthält es schollen- oder brockenartig verteiltes Material, das Heterochromatin65. Dieses besteht aus Chromosomenanteilen, die während des Fixierens miteinander verklumpt sind. Heterochromatin und optisch nicht in Erscheinung tretende Chromosomenanteile, Euchromatin66 genannt, ergeben zusammen das Chromatingerüst des Zellkerns, das basische Farbstoffe (Chroma = Farbe) an sich bindet. Dieses ist bei Zellen unterschiedlichen Typs unterschiedlich dicht. Lymphocyten besitzen z. B. ein sehr dichtes Chromatingerüst, bei Leberzellen ist es eher locker geknüpft. Als weitere charakteristische Struktur enthält das Karyoplasma ein Kernkörperchen, den Nucleolus67. Bei der lebenden Zelle fällt er durch verstärkte Lichtbrechung auf. Der Nucleolus ist rund und bei unterschiedlichen Zelltypen unterschiedlich groß. Wenn überhaupt, dann ist er mit basischen Farbstoffen anzufärben. Das Kernkörperchen wird von bestimmten Chromosomen gebildet. Zellen mit hohen Stoffwechselleistungen haben häufig ein vergrößertes oder mehrere Kernkörperchen. Zwischen den Anteilen des Chromatingerüsts und dem Nucleolus befindet sich eine flüssige Abteilung des Karyoplasmas, die Karyolymphe 68, die reich an bestimmten Enzymeiweißen – (Polymerasen) und Ionen ist (Na+, Cl ). Eine weitergehende Analyse der Kernbestandteile ist nur elektronenmikroskopisch und mit biochemischer Methodik möglich.

62

1.1.2.1

63

64 65

66 67 68

mítos (gr.) – Faden. Während der Mitose werden die Chromosomen als Fäden sichtbar. h yper´ (gr.) – darüber, oberhalb; tróphe (gr.) – Ernährung; hier: überschießendes Wachstum. h ypo´ (gr.) – darunter, unterhalb. hétero- (gr.) – anders, fremd, verschieden; chróma (gr.) – Farbe. éu- (gr.) – gut, regelrecht. nucléolus (lat.) – Kernchen. káryon (gr.) – Nuß, Kern; lympha (lat.) – klares Quellwasser.

Kernmembran

Die Kernmembran wird in Anlehnung an das Plasmalemm auch als Nucleolemm bezeichnet. Ebenfalls gebräuchlich ist der Begriff „Kernhülle“. Dieser macht deutlich, daß es sich hierbei nicht um eine einfache Cytomembran handelt: der Zellkern ist von einem doppelten Cytomembran-System, vergleichbar dem des endoplasmatischen Reticulums, umhüllt (Abb. 1/1, S. 5).

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 25

Abb. 1/15: Oberfläche eines Zellkerns mit Kernporen. EM; Gefrierbruch-Technik. 30 100:1.

Hierbei umgibt die Innenmembran als typische Einheitsmembran den Kerninhalt. Die Außenmembran, ebenfalls eine Einheitsmembran, grenzt gegenüber dem Cytoplasma ab. Zwischen beiden Membranen ist der perinucleäre Spalt oder die perinucleäre Cisterne69 gelegen. Da die Außenmembran sich an mehreren Stellen in das Membransystem des ER fortsetzt, kommuniziert der perinucleäre Spalt mit den Cisternen des ER. Die Außenmembran ist ebenso wie das ER von Ribosomen besetzt, so daß die Kernhülle einerseits als Teil des ER oder andererseits das ER als Fortsetzung der Kernhülle gesehen werden kann. Die Kernmembran ist von Kernporen (Abb. 1/15) durchsetzt. An den Rändern dieser 50-70 nm weiten, rund oder oval erscheinenden „Fenster“ gehen Außen- und die Innenmembran der Kernhülle ineinander über

oder verschmelzen zu einem fädig gestalteten, nur 5 nm dünnen Diaphragma, das die Pore quer durchzieht. Dem inneren und äußeren Porenrand sind je 8 paarig zueinander liegende globuläre Proteine angelagert; im Zentrum der Pore bzw. des Diaphragmas liegt ein weiteres globuläres Protein. Diese Strukturen bilden zusammen den sog. Kernporenkomplex, der vermutlich Kontrollfunktion über die Stoffaustauschvorgänge zwischen Karyoplasma und Cytoplasma hat. Die Permeabilität der Poren ist variabel, denn auch große Moleküle wie RNA und Korpuskeln wie Ribosomen können durchgelassen werden. Bei hochaktiven Zellen besteht bis zu 1/5 der Kernoberfläche aus Kernporen, die bei dichtem Zusammenliegen regelrechte Kernporenfelder bilden. 1.1.2.2

69

70

perí- (gr.) – rings umher, umgebend; cistérna (lat.) – Zisterne, Wasserbehälter. chróma (gr.) – Farbe; sóma (gr.) – Körper.

Karyoplasma und InterphaseChromosom70

Das Karyoplasma – auch Nucleoplasma genannt – wird im wesentlichen durch seinen Gehalt an Chromosomen bestimmt, die das bereits licht-

26

Grundlagen

mikroskopisch erkennbare Chromatingerüst bedingen (s. o.). Im elektronenmikroskopischen Bild wird aufgrund der hohen Auflösung und der geringen Dicke des Präparats der Zusammenhang zwischen den Anteilen des Chromatins nicht erkannt, weil in der Interphase die entspiralisierten Chromosomen in größerer Zahl (beim Menschen 46) als vielfach gewundene Fäden den Kern durchziehen. Erkennbar werden die Chromosomen-Fäden und -Knäuel-Querschnitte, die als 10-100 nm große Partikel in Erscheinung treten. Sie stellen das Heterochromatin dar und werden als Karyosomen bezeichnet. Aufgrund ihrer großen Anzahl lassen sie das Karyoplasma im elektronenmikroskopischen Bild granuliert erscheinen. Zwischen den Karyosomen liegen weitere fädige Strukturen, die sich kaum darstellen und die aus Euchromatin bestehen. Aufgrund lichtmikroskopischer, elektronenmikroskopischer und biochemischer Befunde hat man sich ein Chromosom als einen fädigen Desoxyribonucleinsäure-(DNA)-Proteinkomplex vorzustellen, der die Erbinformation trägt und der die Fähigkeit hat, sich selbst identisch zu vermehren (Selbstreduplikation der Erbinformation, vgl. S. 70ff). Das Chromosom (Abb. 1/16) besteht aus einem Chromosomenfaden, Chromonema oder Chromatide. Dieser Faden wird von zwei spiralig umeinander gewundenen DNA-Ketten, der DNA-Helix71, und von Histonen72 gebildet: Die DNA-Spirale umwindet als nucleosomale (s. u.) DNA einen Histonkomplex, der aus 8 Untereinheiten globulärer Proteine besteht. Weitere Proteine, die H1-Histone, verbinden die Windungen der DNA-Spirale untereinander. Eine so gebildete Baueinheit wird Nucleosom genannt. Internucleosomale DNA verbindet direkt benachbarte Nucleosomen miteinander. So kommen lange, kettenartige Gebilde zustande, die Elementar-Filamente. Diese spiralisieren sich ihrerseits dann sehr stark und werden zu der kürzeren Chromatide, die aber immer noch eine beträchtliche Länge hat. An den

71 72

hélix (gr., lat.) – Schneckenhaus, Spirale. histós (gr.) – (Textil)-Gewebe, Webbaum. Vgl. Histologie – Gewebelehre.

Abb. 1/16: Aufbau des Chromosoms. Schema. Erklärung siehe Text. Geringelte rote Pfeile symbolisieren die Spiralisierung der „Fäden“.

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 27

Stellen der Chromatide, wo von der Erbsubstanz, der DNA, die genetische Information in Form von messenger73 RNA abgerufen wird (Transcription, vgl. S. 70), verläuft die Chromatide gestreckt; die Nucleosomen sind also, im Sinne einer Perlenkette, etwas weiter voneinander entfernt. Dies kommt der Informationsabnahme entgegen. Der gestreckt verlaufende Teil der Chromatide wird aufgrund seines geringen Durchmessers (ca. 10 nm) im Lichtmikroskop nicht erkannt und kaum angefärbt: Diese hochaktiven Chromosomen-Orte stellen das Euchromatin dar. Im Gegensatz hierzu bildet die Chromatide in ihren inaktiven, gehemmten oder blokkierten Abschnitten umfangreiche Knäuel, die als Heterochromatin intensiv anfärbbar sind und die deshalb in der Lichtmikroskopie auch Chromozentren genannt wurden. Chromosomen sind also fädige Strukturen, bei denen stark geknäuelte Bereiche sich mit eher gerade verlaufenden abwechseln. 1.1.2.3

Nucleolus

Nur Kerne von Zellen, die sich in der Interphase befinden, haben einen Nucleolus (Abb. 1/1). Dieser entsteht an verschiedenen, aber bestimmten Chromosomen, und zwar jeweils an einem besonderen, gestreckt verlaufenden Chromatiden-Abschnitt, der als sekundäre Einschnürung des Chromosoms oder als NucleolusOrganisator bezeichnet wird (Abb. 1/16). An diesem Ort ist die Synthese von ribosomaler RNA (rRNA) besonders intensiv. Die RNA wird zunächst gespeichert, dann zu Ribosomen kompartimentiert, die anschließend den Zellkern über das Kernporensystem verlassen. Der Nucleolus ist also die Ribosomen-Bildungsstätte. Je mehr rRNA im Zellkern gestapelt ist, um so größer ist der Nucleolus. Besonders groß sind die Nucleolen bei (Protein-)syntheseaktiven, jungen Zellen, aber auch bei Tumorzellen, die durch intensiviertes Wachstumsverhalten gekennzeichnet sind. Im elektronenmikroskopischen Bild besteht der Hauptumfang des Nucleolus aus zwei Anteilen. Der eine ist granuliert und umfaßt bereits „fertiggestellte“ Ribosomen, der andere ist eher fädig und besteht aus

73 74

messenger (engl.) – Bote. céntrum (lat.) – Zentrum, Mitte; méros (gr.) – Teil.

Ribosomen-Vorstufen in strangförmiger Anordnung. Außerdem enthält der Nucleolus feinfädiges Material, das als das Chromatid der sekundären Chromosomeneinschnürung aufzufassen ist. Als rRNA-Bildungsorte enthalten diese Fäden DNA. Der Nucleolus ist nicht von einer Einheitsmembran umgeben, so daß seine an Proteinen reiche Matrix im Randbereich kontinuierlich in die Karyolymphe übergeht. Häufig liegt der Nucleolus exzentrisch im Zellkern, oft an die Innenmembran des Kerns angelegt. 1.1.2.4

Mitose-Chromosom

Während der Interphase wachsen die Zellen heran und werden teilungsbereit: Sie haben während dieses Zeitraums das Cytoplasma und das genetische Informationsmaterial vermehrt; das Chromosomenmaterial wurde sogar verdoppelt. Dies wird am Ende der Interphase und zu Beginn der Mitose sichtbar, denn die Chromosomen sind dann dicker und haben einen Längsspalt, der ihre Teilungsbereitschaft anzeigt. Während die Interphase-Chromosomen als individuelle Gebilde kaum erkannt werden können, ist dies für Mitose- Chromosomen der Fall: Durch intensive Spiralisierung des Chromosomenfadens (Chromatide) verkürzen sich die Chromosomen beträchtlich und werden dabei viel dicker. Mit diesem Gestaltwandel werden sie aus der Funktions- oder Arbeitsform in die Transportform überführt, die während des Zellteilungsgeschehens eine gleichmäßige Verfrachtung der Chromosomenhälften auf die Tochterzellen ermöglicht (vgl. Mitose, S. 33ff). Da man Mitosen experimentell auslösen und auch stoppen kann, besteht die Möglichkeit, im Gewebe genügend Mitosestadien anzureichern und nach entsprechender Präparation und Anfärbung die Teilungsstadien und die jeweils zugehörigen Chromosomen nach Anzahl, Größe und Form zu untersuchen (Abb. 1/17). Ziel solcher Tätigkeit ist die Erstellung eines Karyogramms, einer Zusammenstellung der Chromosomen aufgrund ihrer individuellen Kennzeichen (vgl. Abb. 1/40, S. 84). Normal ausgebildete menschliche Mitose-Chromosomen sind gerade oder auch schwach gebogene Stäbchen von 2-10 µm Länge, die durch eine primäre Einschnürung, das Centromer74,

28 Grundlagen

Abb. 1/17: Kompletter Chromosomensatz des Mannes (Schreibweise: 46, XY). Aus einer Lymphocyten-Kultur; Trypsin-Giemsa-Bandenfärbung. Lichtmikroskopische Aufnahme; 2 000:1. Original von Prof. P. KAISER, Tübingen.

in zwei meist ungleich große Abschnitte (Schenkel) unterteilt sind. Das Centromer beinhaltet das Kinetochor75, eine punktförmige Substanzverdichtung, die während des Teilungsgeschehens mit den Mikrotubuli der Teilungsspindel verbunden ist (vgl. S. 35). 5 der menschlichen Chromosomen haben jeweils eine weitere, sekundäre Einschnürung. Diese fungiert als Nucleolus-Organisator. Das Reststück des Chromo75 76 77 78

kínein (gr.) – bewegen; chóra (gr.) – Ort, Raum. télos (gr.) – Ende; méros (gr.) – Teil. haplóos (gr.) – einfach. diplóos (gr.) – doppelt.

soms, das durch die sekundäre Einschnürung bedingt ist, bleibt über einen feinen Faden mit dem Hauptteil des Chromosoms verbunden und wird Telomer 76 oder Satellit genannt. Jede Zelle des menschlichen Organismus hat 46 Chromosomen, sofern es sich nicht um befruchtungsfähige Geschlechtszellen handelt. Während die Geschlechtszellen einen „einfachen“ (haploiden77) Chromosomensatz von 23 Chromosomen haben, weisen die übrigen Körperzellen einen „doppelten“ (diploiden78) Chromosomensatz auf, der durch die Vereinigung eines mütterlichen mit einem väterlichen Chromosomensatz zustande gekommen ist (vgl. Befruchtung, S. 788).

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 29

In einer normalen Körperzelle kommen also die Chromosomen immer paarweise vor; eines stammt von der Mutter, das andere Chromosom vom Vater. Beide Chromosomen sind in Form, Größe (und Funktion) einander gleich und werden daher als homologe79 Chromosomen bezeichnet. Insgesamt umfaßt der menschliche Chromosomensatz 22 Paare homologer Chromosomen, die 44 Autosomen80. Die restlichen beiden Chromosomen bilden ein kleines Chromosomenpaar, das die Geschlechtschromosomen, die Gonosomen81, umfaßt. Im weiblichen Geschlecht sind zwei gleichgestaltete X-Chromosomen vorhanden, während die Zellen des Mannes ein größeres X- und ein kleineres Y-Chromosom haben. Aufgrund ihrer Unterschiedlichkeit nennt man die Gonosomen männlicher Zellen auch Heterosomen.

1.1.3

Lebenserscheinungen der Zelle

Die Aktivität einer Zelle äußert sich in den „Phänomenen des Lebens“. Diese lassen sich folgendermaßen charakterisieren: Lebende Zellen – haben einen Stoff- und Energiewechsel – nehmen Stoffe auf und geben Stoffe ab, sie führen Stoffransporte durch – nehmen Reize auf, sind erregungsfähig und verarbeiten die Erregungen – sind bewegungsfähig – wachsen heran, vermehren sich, altern und sterben. Zellen sind also sehr dynamische Gebilde, die in ständigem Um- und Aufbau begriffen sind. Im eigentlichen Sinn sind Zellen „nie fertig“. Dies gilt selbst für starr und unbelebt erscheinende Strukturen des Organismus, wie etwa die Knochen bzw. Knochenzellen. Bei allen Zellen werden, wenn auch in unterschiedlicher Intensität, ständig molekulare Baustoffe ausgetauscht,

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81

hómos (gr.) – gleich; lógos (gr.) – Lehre; hier: gleichsinnig, einander entsprechend. eigentlich „Autochromosomen“. autós (gr.) – selbst, eigentlich; sóma (gr.) – Körper. Die die Körpermerkmale betreffenden Chromosomen. eigentlich „Gonochromosomen“. gonós (gr.) – Geschlecht; sóma (gr.) – Körper. Die die Geschlechtsmerkmale betreffenden Chromosomen.

ergänzt und erneuert. Diese Prozesse werden allzu leicht „übersehen“, sofern man ausschließlich Präparate von abgetöteten (fixierten) Zellen (und Geweben) mikroskopiert, man also jeweils nur einen Momentzustand im Leben der Zelle (des Gewebes) erfaßt. Die Eigenschaften und Fähigkeiten der Zelle, sich in bestimmter Art und Weise „auszudrücken“ oder zu reagieren, sind, ebenso wie ihre Möglichkeiten zur morphologischen Ausgestaltung, im genetischen Informationsmaterial festgelegt und in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen verwirklicht: Fertig entwickelte Zellen sind in unterschiedlicher Weise differenziert. So ist bei einem bestimmten Umfang des Zellmaterials die Beweglichkeit extrem gesteigert, z. B. bei den Muskelzellen (vgl. S. 175), oder es ist die Reizbarkeit erhöht, wie bei Nervenzellen (vgl. S. 134), oder die Fähigkeit, bevorzugt chemische Synthesen durchzuführen, wie dies z. B. für Leberzellen gilt (vgl. S. 432). Entsprechendes läßt sich, z. B. an Drüsenzellen, für Transportphänomene feststellen (vgl. S. 102). Auf diese Lebenserscheinungen wird in den jeweiligen Kapiteln näher eingegangen. Nachfolgend werden das Zellwachstum, die Zellvermehrung und das Altern der Zellen dargestellt, Vorgänge, die in allen Bereichen des Körpers ablaufen, wenn auch in unterschiedlicher Intensität. 1.1.3.1

Generationszyklus, Vermehrung, Alter und Tod der Zelle

Zellen bzw. die aus ihnen durch Teilung hervorgegangenen Tochterzellen, deren Tochterzellen usw., machen im Laufe des Lebens des Organismus zyklisch sich wiederholende Phasen durch, wobei an eine längere Interphase sich jeweils eine kürzere Mitose-Phase anschließt. Diese Generationszyklen können durch den Tod einer Zelle, der meist am Ende einer Interphase eintritt, ihr Ende finden. Die Generationszyklen der Zellen sind verschieden lang. Hierdurch sind sie mitentscheidend für die unterschiedliche Lebensdauer der Zellen. So werden Darmepithelzellen nur etwa zwei Tage alt, bestimmte weiße Blutzellen, die Granulocyten, sterben nach etwa einer Woche ab, rote Blutkörperchen erreichen ein Alter von ca. 120 Tagen. Am ältesten werden Nerven- und Herzmuskelzellen, die (fast) so alt werden wie der Organismus selbst. Dies liegt daran, daß diese Zellen nach ihrem Absterben nicht nachproduziert werden, wie dies für die meisten

30

Grundlagen

unserer Körperzellen gilt. Innerhalb erwachsener Organe bzw. Gewebe (mit Ausnahme des Nerven- und Herzmuskelgewebes) besteht ein physiologisches Gleichgewicht zwischen der Neubildungs- und der Absterberate von Zellen; die Organe erhalten sich durch fortwährende Regeneration durch Zellersatz, der durch ständig ablaufende Mitosen vollzogen wird. Bei Organen, die noch wachsen, überwiegt die Zellbildungsrate die Zellsterberate. Werden Organe verletzt und erleiden dabei einen Zellverlust, dann wird die Wunde zunächst durch vermehrte Zellneubildung geschlossen und anschließend das verlorengegangene Material nachproduziert. Den Vorgang der Zellneubildung nennt man Proliferation82 . Die Vermehrung der Zellen erfolgt auf unterschiedliche Weise (Abb. 1/18). Am häufigsten ist die Mitose, genauer: die indirekte Zellkernteilung, die eng an das Geschehen der Zellteilung selbst, die Cytokinese83, gekoppelt ist (vereinfachend und kurz spricht man nur von der Mitose). Das Wesentliche der Mitose ist, daß das genetische Informationsmaterial und damit die Chromosomen der teilungsbereiten Zelle zunächst verdoppelt und anschließend gleichmäßig und geordnet auf die beiden entstehenden Tochterzellen verteilt wird. Beim Geschehen der Endomitose84 kommt es zwar auch zu einer Verdoppelung des genetischen Informationsmaterials, es unterbleibt aber anschließend die Teilung des Zellkerns und auch des Zelleibs; die resultierende Zelle hat also einen Zellkern mit vermehrtem Chromosomensatz: Sie ist nun nicht mehr diploid, sondern tetraploid85. Wie-

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89

90 91

próles (lat.) – Nachkommen; féro (lat.) – tragen, gebären, hervorbringen; hier: Neubildung von (gleichen) Zellen. kytós (gr.) – Zelle; kínein (gr.) – bewegen. éndon (gr.) – innen; mítos (gr.) – Faden. tetraplóos (gr.) – vierfach. polyplóos (gr.) – vielfach. a- (lat.) – verneinendes Präfix; hier: eine Mitose im eigentlichen Sinn läuft nicht ab. di- (lat.) – doppelt; energéia (gr.) – Energie; hier: das dynamische, „energiereiche“ Chromatin des Zellkerns ist in zwei Zellkernen, also doppelt vorhanden. plásma (gr.) – Geschaffenes, Geformtes; eidos (gr.) – Erscheinung. syn ´ (gr.) – mit; k ytos ´ (gr.) – Zelle. meióein (gr.) – zerkleinern, verringern.

derholt sich der Vorgang mehrfach, dann resultiert letztlich eine polyploide86 , relativ große Zelle. Als Beispiele seien die Knochenmarksriesenzellen (vgl. S. 272) und die häufig tetraploiden Leberzellen (vgl. S. 432) genannt. Große und funktionell hoch belastete und Synthese-aktive Zellen bedürfen einer Vermehrung des Chromosomenmaterials! Bei der Amitose87, der direkten Zellkern-Teilung, verdoppelt die teilungsbereite Zelle zunächst ebenfalls das genetische Material, anschließend teilt sich der Zellkern, ohne daß Chromosomen sichtbar werden. Hierbei ist unbekannt, ob das Erbgut gesetzmäßig oder zufällig auf die beiden Tochterzellkerne verteilt wird. Im Anschluß an die amitotische Kernteilung kann sich die Zelle in zwei Tochterzellen teilen, es kann aber auch der Zustand einer zweikernigen (dienergiden88 ) Zelle beibehalten werden. Nach mehrfacher amitotischer Teilung des Kernmaterials ohne anschließende Durchtrennung des Zelleibs liegt ein großes, polyenergides Zellgebilde vor, das als Plasmodium89 bezeichnet wird. So hat beispielsweise der Osteoklast (vgl. S. 128) bis zu 50 Zellkerne. Mehrkernige, große Zellgebilde können aber auch dadurch zustande kommen, daß Zellen, meist in einer frühen Bildungsphase der Gewebe, miteinander zu größeren Einheiten unter Aufgabe ihrer trennenden Zellmembranen zusammenfließen. Eine solche, von nur einem gemeinsamen Plasmalemm umgebene Cytoplasmamasse enthält dann die Zellkerne aller miteinander verschmolzenen Zellen; dieses polyenergide Zell-Verschmelzungsprodukt wird Syncytium 90 genannt. Als Beispiel gelte die Skelettmuskelfaser (vgl. S. 181). Von den zuvor genannten Zellteilungsarten unterscheidet sich das während der Geschlechtszell-Produktion ablaufende meiotische Zellteilungsgeschehen in einem wesentlichen Punkt: Während der Meiose91, auch Reifeteilung genannt, wird der Chromosomenbestand der diploiden Ausgangszelle gleichmäßig auf zwei identische Hälften verteilt; die entstehenden Tochterzellen haben also jedes Chromosom nur

Abb. 1/18: Möglichkeiten der Zellvermehrung und des Zellwachstums. Schema. Erklärung siehe Text.

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 31

32 Grundlagen

Abb. 1/19: Generationszyklus der Zelle. Schema. Erklärung siehe Text.

noch einmal und damit einen kompletten haploiden Chromosomensatz. Bei der Befruchtung, d. h. der Vereinigung einer haploiden weiblichen und einer haploiden männlichen Geschlechtszelle, werden die beiden Chromosomensätze im dann diploiden Zellkern der Zygote vereinigt. Damit ist die Startbedingung für die Entwicklung eines diploiden Organismus gegeben, denn der heranwachsende Keim vermehrt sein Zellmaterial (fast ausschließlich) über mitotische Zellteilungen. 1.1.3.1.1 Generationszyklus Die zur Mitose befähigte Zelle macht nacheinander und mehrfach sich wiederholend die Zustände von Interphasen und Mitosen durch; sie durchläuft mehrere Generationszyklen. Ein Generationszyklus beginnt am Ende einer mitotischen Zellteilung und endet nach Ablauf der darauffolgenden Mitose (Abb. 1/19). Die anfangs des Zyklus gelegene Interphase ist relativ lang

und gliedert sich in Unterabschnitte; die vergleichsweise kurze Phase von Mitose und Cytokinese besteht ebenfalls aus geregelt aufeinanderfolgenden Abschnitten, die fließend ineinander übergehen. Die Interphase läßt sich funktionell, ohne daß eindeutige morphologische Unterscheidungen möglich wären, in die Abschnitte G1, S und G2 aufteilen: G1-Phase: Diese steht am Anfang der Interphase. In ihr findet keine DNA-Verdoppelung statt; es besteht also ein „gap“ (G für gap, engl. Spalt, Lücke) im Hinblick auf die DNA-Synthese. Dagegen erweist sich die Zelle als ausgesprochen stoffwechselaktiv, sie befindet sich in der Synthesephase und vollbringt die für sie typischen Leistungen und Funktionen. Die RNAund Proteinsynthese-Aktivitäten erreichen Höchstmaße. – Ein Teil der Zellen verliert in G1 die Fähigkeit, sich auch weiterhin mitotisch zu teilen; diese Zellen gehen in die G0 (G-null)-

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 33

Abb. 1/20: Mitotische Zellteilung. Schema. a) Interphase, b) frühe Prophase, c) späte Prophase, d) Metaphase, e) Anaphase, f) Telophase, g) Rekonstruktionsphase, Erklärung siehe Text.

Phase über. Diese Zellen können bis kurz vor ihrem Tod syntheseaktiv sein. Die G0-Phase ist als Nebenweg des Zellgenerationszyklus aufzufassen. Nur auf besonderen Stimulus hin, z. B. durch Wundreiz, ist es G0-Zellen möglich, nochmals „aktiviert“ zu werden und über die G1Phase in den Generationszyklus einzutreten, also nochmals sich mitotisch zu teilen und so der Wundheilung zu dienen. S-Phase: Die genetische Information des Zellkerns, die DNA, wird verdoppelt. Hierbei wird die für diploide Zellen (2nChromosomen) charakteristische doppelte DNA-Menge (2nDNA) auf die 4fache DNA-Menge (4nDNA) vermehrt. Während dieser 6-8 h dauernden Phase sind die für G1 genannten Zellaktivitäten stark zurückgedrängt. G2-Phase: Es kommt wiederum zu einem Anstieg der RNA- und Proteinsynthese. Auch werden in das Cytoplasma energiereiche Substan-

zen eingelagert, die während der Mitose als Energielieferanten wieder abgebaut werden. Das Centriolen-Paar des Diplosoms teilt sich und um die beiden Tochter-Diplosomen herum treten Mikrotubuli als Materialien des Spindelapparates (s. u.) in Erscheinung. G2 dauert 1-2 h. 1.1.3.1.2 Mitose Im Verlauf der Mitose (Abb. 1/20, 1/21) wird das während der Interphase identisch vermehrte genetische Informationsmaterial gleichmäßig auf die beiden entstehenden Tochterzellkerne verteilt. Die hierbei ablaufenden Chromosomenbewegungen faßt man unter dem Begriff der Karyokinese zusammen. Die Durchschnürung des Zelleibes und damit die Bildung der Tochterzellen wird Cytokinese genannt. Die mitotische Zellteilung, die das Gesamtgeschehen umfaßt, verläuft über mehrere verschieden lan-

34

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 35

ge Teilschritte: Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase, Rekonstruktionsphase. Prophase92: Die teilungsbereite Zelle verläßt den aktiven Arbeitsverband des Gewebes und beginnt sich bis zu einem gewissen Grad zu entdifferenzieren. Dies erkennt man an der Rückbildung der meisten Zellorganellen (nicht aber der Mitochondrien) und am Einziehen von Mikrovilli und sonstigen Zellfortsätzen. Die entscheidenden Vorgänge betreffen aber den Zellkern. Die Chromosomen bzw. die Chromatiden spiralisieren sich, werden dadurch dicker und kürzer und bilden ein Chromosomenknäuel, das Spirem93. Dieses ist nach entsprechender Anfärbung sichtbar. Ein Teil der Chromosomen zeigt bereits jetzt einen Längsspalt; es liegen also zwei Chromatiden vor. Sowohl die Kernmembran als auch der Nucleolus werden abgebaut. In der Folge wandern die beiden Centriolenpaare, die sich bereits am Ende der Interphase bildeten, an entgegengesetzte Pole der Zelle. Sie bilden jeweils Astrosphären, die aus radiär angeordneten Mikrotubuli bestehen. Untereinander bleiben die Centriolen über sich ebenfalls bildende Mikrotubuli verbunden, die insgesamt die mitotische Spindel oder Zentralspindel darstellen. Die Prophase dauert ca. 30 min. Metaphase94: Die Kernmembran wird vollends aufgelöst. Die inzwischen stark spiralisierten, verkürzten und geknickten Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene der Zelle an, also mittig zwischen den Centriolen und quer zu diesen. Da die Chromosomen von einem der Pole aus gesehen ungefähr im Sinne eines Sternes angeordnet sind, nennt man diesen Zu-

92 93 94 95 96 97

pró- (lat.) – vor; phásis (gr.) – Erscheinung. speiréma (gr.) – Spirale, Knäuel. méta (gr.) – inmitten, dazwischen. mónos (gr.) – allein; astér (gr.) – Stern. aná (gr.) – hinauf. télos (gr.) – Ende.

Abb. 1/21: Mitose-Stadien aus der Wurzelspitze der Küchen-Zwiebel. Mikropräparat. (Nicht in Teilung befindliche Zellen sind durch einen Raster abgedeckt.) a) Zelle in der Interphase, b) Prophase, c) Metaphase, d) frühe Anaphase, e) späte Anaphase, f) frühe Telophase, g) späte Telophase, h) Rekonstruktionsphase. Jeweils 1 630:1.

stand Monaster95. Die Chromosomen sind nun alle längs gespalten. Ihre Centromeren treten mit Mikrotubuli in Kontakt, die jeweils an die beiden Centriolen heranführen. Diese Mikrotubuli bilden zusammen eine zweite Spindel, die Metaphasenspindel. Die Zentralspindel bleibt erhalten. Die Metaphase dauert ca. 10 min. Anaphase96: Die Zelle verformt sich etwas länglich, wobei die Längsrichtung von den beiden Centriolenpaaren bestimmt wird. Die Verlängerung der Zelle wird durch Mikrotubuli verursacht, die in Zellmitte sich in paralleler Orientierung überdecken und zu den Zellpolen hin auseinander gleiten. Auch die beiden Chromatiden eines Chromosoms gleiten auseinander, jeweils eine zu den entgegengesetzt gelegenen Polen. Dies setzt voraus, daß das am Centromer gelegene Kinetochor sich geteilt hat: jeweils ein Tochter-Kinetochor fällt einer Chromatide zu. Zwischen Centriolenpaar und Kinetochor gelegene Mikrotubuli bewirken die Verfrachtung der Chromatiden hin zu den Centriolen. Hierbei spielen gerichtete Wachstumsvorgänge und Deassemblierungsprozesse an den polarisierten Mikrotubuli, aber auch Gleitbewegungen eine Rolle, die zwischen benachbarten Mikrotubuli ablaufen, die untereinander offenbar durch Kinesin- und Dynein-Querbrücken (vgl. S. 49) verbunden sind. Dieser Vorgang läuft an allen – beim Menschen 46 – Chromosomen ab, so daß je ein kompletter diploider Satz von Chromosomen, die zunächst jeweils nur als ein Chromatid vorliegen, zu den beiden Polen gelangen (erbgleiche Zellteilung). Da die Chromatiden mit den Kinetochoren voraus zu den Polen „gezogen“ werden, entsteht zweimal das Bild eines Sternes: Diaster. Die Anaphase dauert nur wenige Minuten. Telophase97: Die Chromosomen nähern sich den jeweils zugehörigen Centriolen und beginnen sich zu entspiralisieren; sie werden länger und weniger deutlich sichtbar. Sie bedingen zwei Spireme (vgl. Prophase), Dispirem genannt. Die Nucleolen bilden sich wieder und um die beiden Chromatiden-Knäuel herum bildet sich jeweils eine Kernmembran; es sind zwei Tochterzellkerne (= Interphasezellkerne) entstanden. Gleichzeitig zu den Vorgängen am Kernmaterial schnürt sich die Zelle in der Ebene der Äquatorialplatte taillenförmig ein. Diese Einschnürung wird von einem zirkulär verlaufenden Mi-

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Grundlagen

krofilament-Bündel bewirkt, das auch Actinfilamente enthält. Bei der definitiven Durchschnürung der Zelle reißt die Cytoplasmabrücke einfach durch. Die Telophase dauert ca. 20 min.

ersetzt. Bei einem erwachsenen Organ entspricht die Zellbildungsrate der Zellsterberate.

Rekonstruktionsphase: Die beiden Tochterzellen nehmen die Gestalt der Interphase-Zelle an und begeben sich in den Arbeitsverband des Gewebes, um die für sie bzw. das Gewebe typischen Funktionen aufzunehmen. Dies setzt voraus, daß die Chromosomen sich weiter entspiralisieren und die Zellorganellen sich neu bilden.

Bei der meiotischen Teilung bilden sich haploide Geschlechtszellen, bei denen durch Austausch von Chromosomenanteilen neue Genkombinationen erzielt werden. Im Gegensatz zur Mitose verläuft die Meiose nicht über einen, sondern über zwei Teilungsschritte: Die erste meiotische Teilung reduziert den diploiden Chromosomensatz der Stammzelle zu zwei haploiden Chromosomensätzen, die den beiden Tochterzellen zufallen: Reduktionsteilung98. In der 2. meiotischen Teilung, einem mitotischen Teilungsschritt, werden die beiden Chromatiden der jeweils längs gespaltenen Chromosomen gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt: Aequationsteilung99. Also resultieren aus dem Gesamtgeschehen 4 Geschlechtszellen. Im männlichen Geschlecht entwickeln sich alle 4 Geschlechtszellen zu befruchtungsfähigen Spermien. Im weiblichen Geschlecht entsteht dagegen nur eine befruchtungsfähige cytoplasmareiche Eizelle; die übrigen 3 Zellen bestehen fast nur aus Kernmaterial. Sie werden Polkörperchen genannt und sterben ab (Abb. 1/22).

1.1.3.1.3 Differentielle Zellteilung Die aus dem mitotischen Teilungsgeschehen hervorgehenden beiden Tochterzellen sind nicht in jedem Fall und in gleicher Weise zu einer nächsten Mitose fähig. In strengem Sinne gilt dies nur für rasch wachsende Zellverbände wie embryonales bis jugendliches Gewebe. Vielmehr sind bei einer ganzen Anzahl von Geweben, z. B. in mehrschichtigen Deckgeweben (vgl. S. 98), die entstehenden Tochterzellen nicht genau gleich differenziert. Sie erbringen somit unterschiedliche Leistungen und verhalten sich auch unterschiedlich. So gliedert sich die eine Tochterzelle in den Arbeitsverband des Gewebes ein und nimmt die typischen Zellfunktionen auf, sie differenziert sich also zu einer Interphasezelle, die überdies eine längere G0-Phase durchlaufen kann. Nur gelegentlich macht diese Tochterzelle eine weitere Mitose durch. Die andere Tochterzelle ist dagegen weniger differenziert, sie hat embryonaleren Charakter und führt alsbald eine weitere Mitose durch, aus der wiederum eine sich differenzierende Interphase-Zelle und eine embryonalere und damit weiterhin mitosebereite Tochterzelle hervorgeht. Über solche „differentielle Zellteilungen“ bleiben dem Gewebe ständig teilungsbereite Zellen erhalten. Sie fungieren als Stammzellen der Gewebsregeneration und bedingen einen ständigen Zellnachschub, der die absterbenden oder durch Abnutzung (Abschilfern an Oberflächen) verloren gehenden Zellen

98 99 100

101 102

redúcere (lat.) – zurückführen. aequáre (lat.) – gleich machen, (gleichmäßig teilen). gametés (gr.) – Mann; gameté (gr.) – Frau; gonós (gr.) – Geschlecht. leptós (gr.) – dünn, zart; taenia (lat.) – Band. zygon ´ (gr.) – Joch.

1.1.3.1.4 Meiose

Erste meiotische Teilung = Reduktionsteilung Dem Teilungsgeschehen der Meiose geht, wie auch dem der Mitose, zunächst eine Interphase der Gametogonien100 (Geschlechts-Stammzellen) voraus. Während der S-Phase wird die genetische Information identisch vermehrt (DNAReduplikation). Die Gametogonien-Zellkerne enthalten also zu Beginn der Meiose einen diploiden Satz an Chromosomen, die jeweils aus zwei Chromatiden bestehen und die damit insgesamt die 4fache DNA-Menge umfassen. Prophase: Im Vergleich zur Mitose ist die Prophase der Meiose zeitlich stark verlängert und gliedert sich in mehrere Teilstadien. Im Leptotän101 spiralisieren sich die Chromosomen und

Abb. 1/22: Reifeteilung oder Meiose. Schema. Die Teilabbildung a setzt sich in Teilabbildung b oben fort. Erklärung siehe Text.

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 37

38

Grundlagen

werden als aus zwei Chromatiden bestehend sichtbar. – Zygotän102: Die Chromosomen verdichten und verkürzen sich weiterhin; ihre beiden Chromatiden treten also noch klarer in Erscheinung. Die einander in Form und Größe entsprechenden homologen Chromosomen, also z. B. die Chromosomen Nr. 10 väterlicherseits und mütterlicherseits, legen sich nun parallel aneinander: Es kommt zur Paarung der homologen Chromosomen (Synapsis103). – Im Pachytän104 ist die Paarung vollzogen. Da die Chromosomen eines Paares jeweils aus zwei Chromatiden bestehen, tritt ein Paar homologer Chromosomen als 4er Gruppe (Tetrade) in Erscheinung. Bei der Chromosomenpaarung können sich die Chromatiden überkreuzen (Chiasma105-Bildung), miteinander verkleben und sich anschließend wieder in neuer Kombination trennen; es kommt also zu einem Chromosomen-Umbau, bei dem mütterliche und väterliche Chromatiden-Teilstücke neu aneinandergefügt und damit väterliche und mütterliche Erbanlagen wechselseitig ausgetauscht werden (crossing-over106; hierauf beruht u. a. die Verschiedenheit auch der Geschwister). – Im Diplotän107 beginnen sich die gepaarten (und neu kombinierten) Chromosomen voneinander zu trennen, an den Überkreuzungsstellen bleiben sie zunächst noch einander verhaftet. – Während der Diakinese108 löst sich die Kernhülle auf und die Teilungsspindel formiert sich. An den Überkreuzungsstellen lösen sich die neu formierten Chromatiden voneinander ab; die Prophase ist abgeschlossen.

den Tochterzellen verteilt wird. Jede der beiden Tochterzellen erhält einen n = haploiden Chromosomensatz, der die doppelte DNA-Menge (2n DNA) umfaßt; die DNA-Menge entspricht also der diploider Körperzellen. – Nach einer kurzen Interphase, während der die DNA-Menge nicht noch einmal verdoppelt wird – es unterbleibt also die S-Phase –, treten beide Tochterzellen in die 2. Teilung ein.

Metaphase, Anaphase, Telophase: Diese Teilungsschritte entsprechen weitgehend den Verhältnissen der Mitose. Zunächst ordnen sich die Chromosomen in der Aequatorialplatte an. Da am Centromer die Kinetochore bislang nicht geteilt wurden, wandern die ganzen, aus zwei Chromatiden bestehenden Chromosomen an die entgegengesetzten Zellpole. Dabei erfolgt die Verteilung der mütterlichen und väterlichen homologen Chromosomen zufällig, so daß das Erbgut in neuer Kombination auf die entstehen-

Wie bereits betont, handelt es sich bei der lebenden Zelle um ein äußerst dynamisches Gebilde, das ständigen Veränderungen unterliegt. Diese betreffen zunächst die äußere Gestalt, die speziell bei Einzelzellen durch Ausbildung von Pseudopodien etc. verändert werden kann. Auch im Gewebsverband befindliche, also „festgelegte“ Zellen sind in der Lage, gewisse Formveränderungen durchzuführen, und bei den Zellen des Muskelgewebes ist die Formveränderung zugunsten der Beweglichkeit zum bestimmenden Merkmal entwickelt. Aber auch im Zellinnern laufen, obwohl bedeutend schlechter erkennbar, äußerst dynamische Prozesse ab, die sich einerseits auf die beweglich-verschieblich eingelagerten Zellorganelle beziehen, andererseits die auf molekularer Ebene ständig ablaufenden Umbauprozesse, Produktionsvorgänge, Transportphänomene etc. betreffen. Diese äußere und

103

synáptein (gr.) – zusammenknüpfen. pachys´ (gr.) – dick. 105 chíasma (gr.) – Kreuzung (in Form eines X). 106 crossing over (engl.) – Überkreuzungsstelle. 107 diplóos (gr.) – doppelt. 108 día- (gr.) – durch; kinésis (gr.) – Bewegung. 104

Zweite meiotische Teilung = Aequationsteilung Hierbei teilen sich die Zellen wiederum wie bei einer Mitose. Während der Prophase treten die beiden Chromatiden eines Chromosoms in Erscheinung und am Centromer bilden sich zwei Kinetochore, die jeweils den beiden Chromatiden zufallen. In der anschließenden Metaphase ordnen sich die Chromosomen in der Äquatorialebene an; während der Anaphase werden die Chromatiden unter Beteiligung ihrer nun getrennt vorliegenden Kinetochore voneinander getrennt und zu den entgegengesetzten Zellpolen geführt. Nach Ablauf von Telophase und Rekonstruktionsphase existieren insgesamt 4 Zellen, die je einen n = haploiden Chromosomensatz besitzen. Hierbei besteht jedes Chromosom aus nur einer Chromatide, so daß die DNA in jeder der 4 Zellen nur in einfacher Menge (n DNA) vorliegt. 1.1.3.2

Regulation der Zellaktivität

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 39

Abb. 1/23: Hormonale Regulation der Zellaktivität. Vereinfachtes Schema. Dargestellt sind zwei Steuerungswege, die mittels eines Membranrezeptors (oben) bzw. eines intracytoplasmatischen Rezeptors ablaufen. I. a – first messenger-Hormon (z. B. Adrenalin); b – Membranrezeptor; c – Überträgerprotein; d – Effektor (Adenylatcyclase); e – second messenger (cyclisches Adenosinmonophosphat, Produkt des Effektors); f – Erfolgsorganelle. II. g – Steroidhormon, das die Zellmembran durchdringt; h – intrazellulärer Rezeptor; i – Hormon-RezeptorKomplex; k – mRNA-Induktion; l – mRNA steigert die Proteinsynthese.

innere Dynamik der Zelle geschieht keineswegs zufällig, sondern vielmehr gerichtet, und zwar einerseits in Abhängigkeit von der morphologischen und funktionellen Differenzierung der Zelle, also in Abhängigkeit der Verwirklichung eines bestimmten Umfangs der genetischen Information (vgl. S. 68 sowie S. 70), andererseits in Abhängigkeit bestimmter Regulatoren109, die auf die Zelle bzw. die genetische Substanz Einfluß nehmen und im Sinne biologischer Regelkreise (vgl. S. 699ff) die Zelle zu den ihr möglichen Leistungen veranlassen, diese aber auch, dem jeweiligen Bedürfnis entsprechend, stoppen

109 110

regulátor (lat.) – Regler. recéptor (lat.) – Empfänger.

können. Als Regulatoren kommen unterschiedliche Reize infrage, wie mechanische, thermische oder elektrische und, in ganz besonderem Maß, chemische Substanzen. Letztere werden als Botenstoffe oder messenger (engl.) bezeichnet und stellen in vielen Fällen Hormone (vgl. S. 703) dar. Die Zellen besitzen bestimmte Erkennungsproteine oder Rezeptoren110, an denen solche Botenstoffe spezifisch gebunden werden und dann das zelluläre Geschehen regulieren. Unterschieden werden Membranrezeptoren und intrazelluläre Rezeptoren. Die Membranrezeptoren liegen im Plasmalemm und binden die Botenstoffe bereits an der äußeren Zelloberfläche. Diese messenger, meist Hormone wie Insulin oder Adrenalin, werden innerhalb des GesamtInformationssystems als 1. Informationsträger

40

Grundlagen

oder „first messenger“ bezeichnet. Über die Bindung des first messenger wird die Bildung eines 2. Informationsträgers, des „second messenger“, (meist intrazellulär) eingeleitet, der dann weitere Reaktionen bedingt und letztlich den angestrebten zellspezifischen Effekt auslöst (Abb. 1/23). Intrazelluläre Rezeptoren binden bevorzugt Botenstoffe, die Lipid-Charakter haben und hierdurch geeignet sind, das Plasmalemm rasch zu durchdringen. Genannt seien die Steroidhormone, die mit dem Rezeptor einen Komplex bilden, der in den Zellkern gelangt und an der DNA die Proteinsynthese zu regulieren vermag (Abb. 1/23). Spezielle Rezeptorsysteme sind in Kap. 16 dargestellt. Bestimmte Zellfunktionen laufen in Abhängigkeit von der Zeit, besonders der Tageszeit, periodisch und rhythmisch sich wiederholend ab. So ist die mitotische Aktivität in bestimmten Organen (z. B. Darmepithel) nachts, während der allgemeinen Ruhephase des Körpers, gesteigert; die Mitoseaktivität ist also gekoppelt an den Tagesrhythmus, zeigt eine Circadianperiodik111. Des weiteren sind Mond-abhängige (Lunarperiodik) und saisonale Perioden feststellbar.

1.1.4

Zelltod

Die meisten Organe und Gewebe des Körpers verlieren ständig Zellen, die durch neugebildete Zellen wieder ersetzt werden. Dieser Zellersatz läuft periodisch ab und wird „Zellmauserung“ genannt. Überalterte und nicht mehr funktionstüchtige Zellen sterben also ab und werden aus dem Gewebsverband entlassen. Dies trifft nicht nur für Zellen zu, die ständig abschilfern, wie etwa an der Hautoberfläche, sondern auch für Zellen, die zusammen mit einem Drüsenprodukt verlorengehen, wie bei der holokrinen Sekretion (vgl. S. 104), oder aber auch für Zellen solcher Organe, die sich nach einer Aktivitätsphase wieder zurückbilden, wie die Milchdrüse nach dem Abstillen. Auch während der Frühent-

111 112

113 114 115 116

„circa diém“ (lat.): círcus – Ring; dies – Tag. morphé (gr.) – Gestalt; génesis (gr.) – Entstehung, Bildung. autós (gr.) – selbst, eigen; l yein ´ (gr.) – lösen. pyknós (gr.) – dicht, fest, zusammengeballt. rhéxis (gr.) – Bruch, Zerreißung. apo- (gr.) – ab-, von weg-; ptosis (gr.) – Fall.

wicklung des Organismus sterben bereits laufend Zellen ab. Dieser Zellverlust hat u. a. für die Herausbildung der definitiven Körpergestalt (Morphogenese 112) Bedeutung. Somit ist das Absterben von Zellen für viele Gewebe ein physiologischer Vorgang (siehe unten: Apoptose). Des weiteren sterben Zellen durch unterschiedlich gewebsschädigende Einflüsse wie u. a. mechanische Verletzungen, Sauerstoffmangel oder Mangel an Nahrungsstoffen ab. Bei pathologischen, krankhaften Prozessen nimmt u. U. die Anzahl absterbender Zellen rapide zu, was natürlich den Organismus beträchtlich schwächt. Um ein entsprechendes Krankheitsbild auch histologisch beschreiben zu können, besteht neben einem theoretischen auch ein medizinisch-praktisches Interesse an der Kenntnis der morphologischen Veränderungen, die die absterbende bzw. tote Zelle kennzeichnen. Der Zelleib der absterbenden Zelle schwillt regelmäßig deutlich an. Dies ist dadurch bedingt, daß durch Platzen der Membranen lysosomale Enzyme frei werden, die die zelleigenen hochmolekularen Proteine zu kleineren Proteineinheiten abbauen. Diese dann nicht membrangebundenen Proteine bewirken eine Erhöhung des osmotischen Druckes innerhalb der Zelle, der durch Wasseraufnahme ausgeglichen wird und so die Volumenzunahme der Zelle bewirkt. Diese Autolyse113 (Auflösung von Eiweiß-Bausteinen) genannte Selbstverdauung der Zelle ist temperaturabhängig. Am Zellkern wird das Chromatingerüst als dikker, stark färbbarer Brocken sichtbar; die ehemals entspiralisierten Chromosomen zerfallen und verkleben miteinander. Diesen Zustand nennt man Kernpyknose 114. Während der anschließenden Karyolyse lösen sich Kernmembran und Chromosomenbruchstücke auf; im Stadium der Karyorrhexis115 werden die Kernbruchstücke über den Gesamtbereich der inzwischen stark angeschwollenen (sehr wasserreichen) Zelle verteilt. Apoptose116.. Diese besondere Form des Zelltodes stellt eine aktive Leistung der Zelle dar; die Apoptose ist energieabhängig und genetisch gesteuert. Die Apoptose wird daher auch „programmierter Zelltod“ genannt. In einer ersten Phase des Geschehens werden Gene aktiviert, die z. B. die intrazelluläre Ca++-Konzentration erhöhen und eine mikroskopisch nachweisbare Verdichtung des Chromatingerüsts bewirken. In

Morphologische Grundlagen: Die Zelle 41

der anschließenden Phase spaltet das Ca++-abhängige Enzym Endonuclease die DNA zwischen den Nucleosomen. In der 3. Phase kommt es zum Zerfall (Fragmentation) von Zellkern und Zelleib; es entstehen membrangebundene apoptotische Körperchen, die dann durch lysosomale Enzyme „verdaut“ oder von Makrophagen aufgenommen werden. Während in einem Organ durch mitotische Aktivität die Zellvermehrung bewirkt wird, kommt es also durch Apoptose zur Zellreduktion. Beide Vorgänge bedingen gemeinsam das für erwachsene Organe typische Gleichgewicht (Homöostase117) von Zellnachschub und Zellverlust.

117

homoios (gr.) – ähnlich; stasis (gr.) – Stand.

42

Grundlagen

1.2 Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie 1.2.1

Maßsysteme

Zahlreiche Funktionen des Organismus beruhen auf physikalischen und chemischen Gesetzmäßigkeiten. Gemäß dem Gesetz vom 6. 7. 1973 verwenden wir hier die SI-Einheiten (système international d’unité). In einzelnen Fällen sind die alten Maßeinheiten (meist in Klammern) mit angegeben, um das Umlernen von den früher gültigen Einheiten zu erleichtern.

Als Grundeinheiten und Symbole wurden festgelegt: Für die Länge: Meter, Symbol m, Definition: 1 650 763,73fache Wellenlänge der von 86Krypton ausgehenden Strahlung im Vakuum beim Übergang vom Zustand 5ds zum Zustand 2p10 des Isotops. Für die Masse: Kilogramm, Symbol kg, Definition: International festgelegter Kilogramm-Prototyp. Für die Zeit: Sekunde, Symbol s, Definition: 9 192 631 770fache Periodendauer der Strahlung des Nuclids 133Cäsium beim Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus seines Grundzustands. Für die Substanzmenge: Mol, Symbol mol, Definition: Stoffmenge eines Systems bestimmter Zusammensetzung, das aus so vielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012 kg des Nuclids 12 C (Kohlenstoff) enthalten sind. Für die Temperatur: Kelvin118, Symbol K, Definition: 273,16ter Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts des Wassers (Tripelpunkt = Temperaturpunkt, bei dem Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf miteinander im Gleichgewicht stehen). Für die Lichtstärke: Candela, Symbol cd, Definition: Lichtstärke, mit der ein schwarzer Strahler senkrecht zu seiner Oberfläche von 1/60 cm2 leuchtet, bei einer Temperatur von 2042,5 K (Erstarrungstemperatur des Platins bei Normaldruck). Die Grundeinheit der elektrischen Stromstärke wird weiter unten erläutert. 118

Benannt nach Lord KELVIN schottischer Physiker.

OF

LARGS , 1824-1907,

Aus den Grundeinheiten werden alle anderen Einheiten abgeleitet. Für die abgeleiteten Größen werden nicht selten Umrechnungen und Vielfache mit entsprechenden Vorsilben verwendet, z. B.: 1 mm 2 = 10–6 m2; 1 µl = 10–9 m3 = 1 mm3. Wichtige, in diesem Buch verwendete abgeleitete Größen sind: Kraft: = Masse mal Beschleunigung: F = M · a. Maßeinheit der Kraft F: 1 Newton, Symbol N, Definition: 1 kg · m · s–2 = 1 N; Maßeinheit der Masse M: kg; Maßeinheit der Beschleunigung a: m · s–2. Beziehungen zu bisherigen Einheiten: 1 N = 105 dyn (1 dyn = 1 g · cm · s –2). Sonderfall: Wird für die Beschleunigung die Erdbeschleunigung g = 9,807 m · s–2 verwendet, so erhält man die Gewichtskraft G = m · g (früher als Gewicht bezeichnet). Maßeinheit von G: 1 Kilopond = 1 kp = 9,80665 N. Umrechnungen: 1 N = 0,102 kp. Druck: Kraft pro Fläche: P = F/A. Maßeinheit: 1 Pascal, Symbol Pa = 1 N · m–2 = 1 kg · m–1 · s–2 (abgeleitet: 1 bar = 105 Pa). Beziehungen zu den bisherigen Einheiten: 1 Pa = 0,0075 mm Hg; 1 kPa = 0,0099 atm; 1 mm Hg = 133,32 Pa; 1 atm = 1,01325 bar = 101,325 kPa. Arbeit: ist Kraft . Weg = N · m; das Produkt Druck · Volumen: (N/m2) · m3 ist ebenfalls Arbeit (N · m = J). Energie: Joule, Symbol J, Def.: kg · s –2 · m2 oder N · m oder W · s. Beziehungen zu bisherigen Einheiten: 1 J = 0,239 cal; 1 J = 107 erg = 1 Nm; 1 J = 0,102 mkp; 1 cal = 4,1866 J; 1 erg = 10–7 J = 10–7 Nm; 1 mkp = 0,981 J. Leistung: Watt, Symbol W, Def.: kg · s–3 · m2 oder J · s–l. Beziehungen zu bisherigen Einheiten: 1 W = 0,00136 PS; 1 PS = 735,498 W; 1 W = 0,860 kcal · h –l ; 1 W = 0,102 mkp · s –l; 1 kcal · h–l = 1,16 W; 1 mkp · s–l = 9,81 W. Für die Fläche ist die abgeleitete SI-Einheit der Quadratmeter (m · m = m2). Die SI-Einheit des Volumens ist der Kubikmeter (m · m · m = m 3) . Eine häufig benutzte Grö-

Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie

ße für Flüssigkeitsvolumen ist das Liter (l). 1 m3 = 103 l. Die Geschwindigkeit (Lineargeschwindigkeit) hat die SI-Einheit m/s. Bei Geschwindigkeiten von Strömungen (Flußrate) verwendet man die Volumengeschwindigkeit = Volumenfluß/Zeit mit der Einheit m3/s oder l/s. Bei der Temperatur-SI-Einheit Kelvin (K) ist 0 K der absolute Nullpunkt. Bei Angaben in Grad Celsius (°C) gilt: °C = Temperatur in K – 273,15. Umrechnung von Grad Fahrenheit (°F) in °C: Temp. in °F = (1,8 · Temp. in °C) + 32; Temp. in °C = 0,555. . . · (Temp. in °F –32). Frequenz = Zahl (f) der „Ereignisse“, z. B. elektrische Schwingungen pro Sekunde. Wenn 1 Schwingung die Zeit T (= Periodendauer) benötigt, so gilt f = 1/T; Einheit: 1 Hertz, Symbol Hz = 1 Schwingung/s, Definition: s–l. Im erweiterten Sinn wird bisweilen die Zahl der „Ereignisse“ auch auf den Zeitraum von 1 Minute bezogen, z. B. Herzfrequenz = Zahl der Herzschläge pro Minute. Elektrische Größen Die elektrische Stromstärke wird in Ampère gemessen, Symbol A. Definition: Stärke eines zeitlich unveränderlichen elektrischen Stroms, der durch zwei im Vakuum im Abstand von 1 Meter voneinander parallel angeordnete, geradlinige, unendlich lange Leiter mit vernachlässigbar kleinem kreisförmigen Querschnitt fließt, zwischen denen die durch den Strom elektrodynamisch hervorgerufene Kraft für je 1 m Länge der Doppelleitung 2 · 10 –7 N beträgt. Die elektrische Ladung wird in Coulomb gemessen (A · s). Symbol C. Der Fluß geladener Teilchen, z. B. der Ionenstrom durch eine Membran, kann in Ampère ausgedrückt werden. Ein Strom kann nur fließen, wenn eine elektrische Spannung = Potential (U) besteht. Diese wird in Volt gemessen. Symbol V, Definition: kg · m2 · s –3 · A –l oder W · A–l. Die Stärke des Stroms, welcher bei gegebener Spannung fließen kann, ist vom elektrischen Widerstand (R) abhängig. Man mißt diesen in

43

Ohm, Symbol Ω, Definition: kg · m 2 · s–3 · A–2 oder V · A–l. Sein Kehrwert ist die elektrische Leitfähigkeit, Einheit: Siemens, Definition: 1/Ω. Die elektrische Kapazität wird in der Einheit Farad gemessen. Symbol F, Definition: A2 · s4 · kg –l · m–2 oder C · V–l. Die elektrische Arbeit (Leistung · Zeit) wird wie jede Arbeit in Joule (J) oder Wattsekunden (Ws) gemessen, die elektrische Leistung in Watt (W). Chemische Größen Unter dem Begriff Konzentration werden Massenkonzentrationen (z. B. g/l), Stoffmengenkonzentrationen (mol/l), Massenverhältnisse (g/ g) und Volumenverhältnisse (l/l) verstanden. Die beiden letzten Größen nennt man besser fraktionelle Konzentrationen, weil sie relative Anteile (Fraktionen) sind. Im folgenden werden Umrechnungen einiger benützter Größen der Massenkonzentration in SI-Einheiten angegeben: 1 g/100 ml 1g% 1g‰ 1 mg/100 ml 1 mg % 1 µg % 1 µg ‰

= = = = = = =

10 g/l 10 g/l 1 g/l 0,01 g/l 0,01 g/l 10–5 g/l 10–6 g/l

Bei den Stoffmengen: 1 M = 1 mol/l (= 1 molar) 1 mM = 10–3 mol/l = 1 mmol (= 1 m molar) 1 N = (1/Wertigkeit) · mol/l (= 1 normal) 1 Val/l = (1/Wertigkeit) · mol/l (= 1 eq/l) Bei den fraktionellen Konzentrationen: 1 % = 0,01 1 ‰ = 1 · 10–3 1 Vol % = 0,01 1 l/l = 1 1 ppm = 1 · 10–6 1 ppb = 1 · 10–9 1 g/kg = 1 · 10–3

44 Grundlagen

Bei Ionenkonzentrationen, die in mol/kg H2O oder in mol/l Lösungsmittel angegeben werden, verwendet man den Begriff Aktivität oder „effektive Konzentration“, die man mit ionensensitiven Elektroden messen kann. Wenn das Volumen nahezu ausschließlich aus Wasser besteht, sind Konzentration und Aktivität gleich. Bei sehr hohen Ionengehalten der Lösungen weichen Aktivität und Konzentration voneinander ab, weil keine vollständige Dissoziation119 vorliegt. Analog findet man erhebliche Abweichungen der Konzentration von der Aktivität bei Proteinlösungen, z. B. im Blutplasma.

K a ist die Gleichgewichtskonstante (Dissoziationskonstante), wobei die Ionenstärke und andere spezielle Eigenschaften der Lösung in der Konstanten berücksichtigt sind.

Für die Wasserstoffionenkonzentration (H+Ionen) wird als Maßeinheit die negative Hochzahl der H+-Ionenkonzentration in mol/l verwendet und als pH-Wert (pondus Hydrogenii = Gewicht des Wasserstoffs/l Lösung) bezeichnet. Es ist 1 mol H+/l = 10° mol H+/l; pH = 0 0,1 mol H+/l = 10–1 mol H+/l; pH = 1 0,0000001 mol H+/l = 10–7 mol H+/l; pH = 7 (dies ist der pH-Wert von reinem Wasser und wird als neutrales pH bezeichnet). pH-Skalen werden von pH 0 bis pH 14 verwendet. Niedrige pH-Werte zeigen starke Säuren, hohe pHWerte starke Basen an. Der negative dekadische Logarithmus (neg. Hochzahl zur Basis 10) der Dissoziationskonstanten119 Ka einer Säure ist pKa = –log Ka, derjenige einer Base pKb = –log Kb. Die Summe pKa + pKb = 14 ermöglicht die Errechnung von pKa aus pKb und umgekehrt. Schwache Säuren (analoges gilt für schwache Basen) dissoziieren nicht vollständig in Anionen (A–) und H+ (AH ∩ A-– + H+). Nach dem Massenwirkungsgesetz ist das Produkt der Konzentrationen (in eckige Klammern gesetzt) der Reaktionspartner [H+] und [A–] geteilt durch die undissoziierte Substanz [AH] konstant.

Nach der oben angegebenen Definition für den pH-Wert ist

Ka =

119 120

[H +] · [A–] [AH]

dissociáre (lat.) – vereinzeln, trennen. HENDERSON, L. Y., 1878-1942, Biochemiker in Boston; HASSELBALCH, K. A., 1874-1962, Biochemiker in Kopenhagen.

Wenn diese Gleichung logarithmiert wird, ergibt sich log Ka = log [H+] + log

[A –] [AH]

–log [H+] = – log Ka + log

pH = pKa + log

oder

[A–] [AH]

[A–] [AH]

Dies ist die H ENDERSON-HASSELBALCHsche Gleichung120. Der pH-Wert des Blutes beträgt im Mittel pH = 7,4; d. h. die Menge der H+-Ionen beträgt 10–7,4 = ca. 40 nmol/l. Dieser Wert wird konstant gehalten. Hierzu dienen Puffersysteme. Puffer Wenn [A –] = [AH] ist, so beträgt deren Verhältnis 1:1 und es ergibt sich pH = pKa, denn log 1 = 0. Gibt man zu einer schwachen Säure, bei der [H +] · [A–] [AH]

= Ka

ist, Wasserstoffionen, dann muß zugleich die Konzentration der undissoziierten Säure [AH] ansteigen, damit die Gleichgewichtsbedingung des Massenwirkungsgesetzes erfüllt bleibt (K a bleibt gleich). Dies bedeutet, daß die zugesetzten Wasserstoffionen teilweise unwirksam gemacht werden, weil sie in die undissoziierte Form [AH] übergehen. Die pH-Änderung ist also geringer als dem Zusatz von H+ entspricht. Eine Zugabe von Basen (= Verminderung von H+ ) führt zu einer nur geringen Erhöhung des pH-Werts. Die derartige Abschwächung der pHVeränderung als Folge einer Zugabe von H+ (Säure) oder OH- (Base) zu einer schwach dissoziierten Säure oder Base ist eine Pufferung. Die Pufferung wird am stärksten, wenn [AH] = [A–], d. h. wenn pH = pK.

Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie

Allgemeines Bruchteile und Vielfache sowohl der Basiseinheiten als auch der abgeleiteten Einheiten haben eigene Symbole, welche von griechischen Wörtern abgeleitet sind und als Vorsilben verwendet werden:

Wert 1 Billion 1 Milliarde 1 Million 1000 1/1000 1 Millionstel 1 Milliardstel 1 Billionstel 1 Billiardstel

1.2.2

Zehnerpotenz 1012 10 9 10 6 10 3 10 –3 10 –6 10 –9 10 –12 10 –15

Vorsilbe

Symbol

TeraGigaMegaKiloMilliMikroNanoPikoFemto-

T G M k m µ n p f

Transportprozesse

Eine Ungleichverteilung (Gradient) von Masse oder Energie ist die Triebkraft für die Aufrechterhaltung des Lebens. Mit Hilfe verschiedener Transportprozesse werden derartige Ungleichverteilungen hergestellt. Zellverbände und Membranen bewirken, daß Gradienten nicht durch passive Ausgleichsvorgänge sogleich wieder verschwinden. Die äußeren oder inneren Auskleidungen des Körpers wie Haut, Darmtrakt, Endothelien als Blutgefäßinnenschichten, Nierentubuli und Urogenitaltrakt sind Zellverbände. In solchen Verbänden kommunizieren nicht nur die Zellen miteinander (Syncytium s. S. 30), sondern derartige Zellschichten bilden auch eine Grenzschicht für den Transport von Stoffen von einer Seite des Zellverbandes zur anderen (also von der Vorderseite zur Rückseite der Zellschicht oder umgekehrt). Die Zellverbindungen sind für verschiedenartige Stoffe unterschiedlich gut durchlässig. Es gibt Schlußleisten zwischen den Zellen (s. S. 88 und S. 93), die recht lückenhaft sind. Andere, wie diejenigen der Gehirngefäßendothelien, sind dicht für größere Moleküle

121 122

kólla (gr.) – Leim diffúndere (lat.) – ausbreiten, zerstreuen.

45

oder Ionen. Stoffe können durch die Zellen hindurch auf die andere Zellseite gelangen (transzellulär) oder durch Zellzwischenräume (parazellulär). Im Organismus werden Stoffe sowohl außerhalb der Zellen (im Extrazellularraum) als auch innerhalb (im Cytoplasma und Zellkern), aber auch von einem Kompartiment in das andere befördert. Um aus dem Extrazellularraum in das Zellinnere oder aus dem Zellinneren nach außen zu gelangen, müssen die Substanzen die Zellmembran entweder aktiv oder passiv durchqueren. Bei parazellulärem Transport oder bei Stoffverlagerungen im Extrazellularraum erfolgen Stofftransporte häufig passiv. Es gibt aber auch transzelluläre passive Transporte, z. B. von Atemgasen (s. S. 379). 1.2.2.1

Passive Transportprozesse

Sie werden im Folgenden zunächst an Hand physikalischer Modelle erläutert: Sind zwei verschieden stark konzentrierte Lösungen von Stoffen in Wasser voneinander so getrennt, daß sie sich an Grenzflächen berühren (indem sie etwa in einem Gefäß übereinander geschichtet sind), so erfolgt durch Molekularbewegung ein Ausgleich der Konzentrationen. Dabei wandern die gelösten Teilchen (z. B. Moleküle) von der Stelle, an der sie höher konzentriert sind, zur Stelle niedrigerer Konzentration. Die Geschwindigkeit des Ausgleichs ist hauptsächlich von der Wanderungsgeschwindigkeit der Moleküle abhängig und diese wiederum von der Molekülgröße. In Gasen (z. B. in Luft) geht der Transport relativ rasch vonstatten. Sehr große Moleküle (z. B. Eiweißmoleküle) wandern in wäßriger Lösung kaum. Sie werden als Kolloide 121 bezeichnet. Im Körpergewebe geschieht die Wanderung besonders langsam. Zwischen den Zellen des Organismus oder in Membranen findet man häufig Spalten, die ein Durchwandern kleiner Moleküle zulassen. Man nennt diesen Transportprozeß Diffusion122. Die Stoffmenge, die in einer bestimmten Zeit von einem zum anderen Ort diffundiert, hängt außer von der Konzentrationsdifferenz von der Diffusionsstrecke ab sowie von der Diffusionsfläche. Je größer die Austauschfläche zwischen einem Ort mit hoher und dem niedrigerer Konzentration ist, um so größer ist die Menge, die bei sonst gleichen Bedingungen dif-

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Grundlagen

fundiert. Die Diffusion ist zusätzlich von der Art des diffundierenden Stoffes abhängig. Der quantitative Zusammenhang wird durch das 1. FICKsche123 Diffusionsgesetz beschrieben. Dieses besagt, daß die Menge (Q) eines Stoffes, der in der Zeiteinheit diffundiert (Q/t), von der Austauschfläche (F), der Konzentrationsdifferenz (cl – c2) zwischen zwei Orten, der Diffusionsstrecke (d) und einer Stoffkonstanten, dem Diffusionskoeffizienten (D), abhängt:

wird verdünnt, ihr Volumen nimmt zu. Dieser Vorgang heißt Osmose125.

Q F = D · (c1 – c 2) [mol/s] t d Je größer F, c1 – c 2 und D sind und je kleiner d, desto größer wird die diffundierte Stoffmenge/ Zeit. Dieses Gesetz gilt für alle Diffusionsvorgänge, z. B. für Diffusionen von Gasen in der Lunge (s. S. 379), für Diffusionen in Flüssigkeiten wie dem Blut oder für Stoffe, die in Geweben diffundieren. Der Diffusionskoeffizient D ist D = k · T/(3 π · η · d) [m2 · s –1] Der Ausdruck enthält die B OLTZMANN-Konstante (k)124, die absolute Temperatur (T), den Durchmesser der diffundierenden Moleküle (d) und die Viskosität (η). Sehr kleine Moleküle, z. B. Atemgase, diffundieren auch durch Zellmembranen oder durch Zellschichten, die ein Kompartiment von einem anderen trennen, z. B. die Endothelauskleidung von Blutgefäßen (s. S. 338). Osmose. Ist eine Lösung von ihrem Lösungsmittel durch eine Membran getrennt, so beeinflußt die Eigenschaft der Membran zusätzlich die Diffusion. Läßt die Membran lediglich das Lösungsmittel, nicht aber die gelösten Moleküle hindurchtreten (semipermeable Membran), so findet nur eine Diffusion vom Lösungsmittel zur Lösung hin statt (Abb. 1/24). Die Lösung

123

124

125

FICK , A., 1829-1901, Prof. der Physiologie in Zürich und Würzburg. Die BOLTZMANN-Konstante ist der Quotient aus der allgemeinen Gaskonstanten R und der AVOGADROKonstanten (NA), die die Zahl der Moleküle oder Atome angibt, die in 1 Mol eines Stoffes vorhanden sind (NA = 6.023 · 1023 · mol–1). BOLTZMANN, L. E., 1844-1906, Physiker. AVOGADRO, A. Graf von, 1776-1856, Turin. ósmos (gr.) – Stoß, das Stoßen.

Abb. 1/24: Das Schema einer osmotischen Zelle zeigt den einfachen Fall, daß sich auf der einen Seite einer semipermeablen Membran (deren Poren schematisch dargestellt sind) eine Zuckerlösung, auf der anderen Seite reines Wasser befindet. Die Zuckermoleküle können die Poren der Membran nicht passieren; hingegen dringen die Wassermoleküle in die Zuckerlösung ein, und der hydrostatische Druck der Zuckerlösung steigt. (Der linke Gefäßteil ist als Steigrohr verlängert zu denken.) Der untere Teil der Abb. zeigt, daß die Höhe des osmotischen Drucks durch die Veränderung der Höhe der Flüssigkeitssäule gemessen werden kann.

In einer osmotischen Zelle übt die eingeschlossene Lösung einen Sog (= einwärts gerichteter Druck) aus, den osmotischen Druck. Setzt man auf eine osmotische Zelle ein Steigrohr (Abb. 1/24), so steigt in diesem die Flüssigkeit in dem Maß, in dem durch die Membran Lösungsmittel in die Zelle eindringt. Durch die Flüssigkeitssäule entsteht in der Zelle ein hydrostatischer Druck, dessen maximale Höhe dem osmotischen Druck in der Zelle entspricht. Unter dem Einfluß des hydrostatischen Drucks werden in zunehmendem Maße Flüssigkeitsteilchen durch die semipermeable Membran wieder nach außen gepreßt. Das führt schließlich zu einem Gleichgewichtszustand, bei dem je Zeiteinheit ebenso viele Flüssigkeitsteilchen aus der Zelle herausgedrückt werden wie hineindiffundieren. Die Flüssigkeit im Steigrohr erreicht bei diesem Zustand ihre maximale Höhe. Der maximale osmotische Druck einer Lösung ist der Temperatur und der Zahl

Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie der gelösten Teilchen proportional. Ein mol eines in 1 kg Wasser gelösten (nicht dissoziierten) Stoffes bewirkt einen osmotischen Druck von 2,198 · 106 Pa (= 22,4 Atmosphären). Ein Osmol ist 1 mol dividiert durch die Zahl der frei beweglichen Teilchen, in die ein Mol in Lösung zerfällt. (mOsmol = 1/1000 Osmol.) Die osmolale Konzentration wird in Osmol (oder mOsmol)/kg Wasser ausgedrückt.

Blutplasma und extrazelluläre Flüssigkeiten haben einen osmotischen Druck von ca. 6,87 · 105 Pa (∪ 7 Atmosphären). Das bedeutet, daß sie etwa 0,310 osmolal sind. Bezieht man die Menge der gelösten Stoffe nicht auf 1 kg, sondern auf 1 l Wasser, so spricht man von Osmolarität. Der Unterschied der Definition spielt z. B. dann eine Rolle, wenn wie im Blutplasma ca. 70 g/l Proteine vorhanden sind, d. h. 1 l Plasma entspricht nur 0,93 kg H2O, oder bei Messungen unter verschiedener Temperatur. Bei hoher Temperatur dehnt sich das Lösungsmittel aus. Wenn man es, wie beim Blut, mit sehr verdünnten Lösungen zu tun hat, spielt der Unterschied zwischen Osmolarität und Osmolalität kaum eine Rolle. Stoffe, die die gleiche Osmolalität wie Blut haben, heißen isotone Stoffe. Diejenigen mit niedrigerer Osmolalität werden als hypoton und solche mit höherer als hyperton bezeichnet. Der an einer semipermeablen Membran durch auf beiden Seiten unterschiedliche Stoffkonzentrationen wirksame osmotische Druck (π) errechnet sich bei einem Osmolalitäts-Unterschied (closm – c2osm) mit π = R · T (closm – c2osm) [Pa], wobei R = 8,31 J · K–1 mol–1 (allgemeine Gaskonstante) und T die absolute Temperatur (in Kelvin) ist. Der osmotische Druck spielt an zahlreichen Stellen des Körpers eine wichtige Rolle für Transporte. So werden in der Niere Natrium- und Chlorid-Ionen durch die Wände von bestimmten Abschnitten der Harnkanälchen transportiert und entsprechend den osmotischen Verhältnissen fließt Wasser nach. Da sich im Inneren der Körperzellen Stoffe anreichern, die wegen ihrer Molekülgröße oder aus anderen Gründen nicht nach außen diffundieren können (z. B. Proteine), ist der osmotische Druck im Inneren der Zellen höher als außerhalb. Das bewirkt, daß

126

solvent (engl.) – Lösungsmittel; drag (engl.) – schleppen, ziehen.

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die Zellen „anschwellen“. Die Schwellung der Zellen wird Zell-Turgor genannt. Die Unterschiede der osmotischen Drucke innerhalb und außerhalb der Zellen sind im Normalzustand nicht so groß, daß die Zellmembranen zerreißen. Isoosmolale Lösungen üben demnach nicht notwendigerweise in den Zellen den gleichen osmotischen Druck aus wie im Serum, d. h. sie sind nicht immer isoton. Bringt man z. B. rote Blutkörperchen in eine Harnstofflösung von ca. 290 mosm/kg, so kommt es zu einer Hämolyse, d. h., die Zellen platzen. Das liegt daran, daß Harnstoff in die Zellen durch Kanäle zwar aufgenommen, aber weder ausgeschieden noch im Zellstoffwechsel verbraucht werden kann. Das dem Harnstoff nachfolgende Wasser bringt die Zellen zum Platzen. Die Salzgehalte werden durch eine fein abgestimmte Osmoregulation (s. S. 679) in engen Grenzen gehalten. Der osmotische Druck, den Proteine des Blutplasmas erzeugen, hat für die Regulation des Körperwassergehalts (s. S. 465) besondere Bedeutung. Weil Wasser durch Kapillarwände leicht hindurchtreten kann, Proteinmoleküle aber in vielen Organen wegen ihrer Größe nicht aus den Kapillaren folgen können, so bilden die Kapillarwände für Proteine eine semipermeable Membran, wie sie für die Entstehung eines osmotischen Druckgefälles erforderlich ist (Einzelheiten s. o. und S. 337). Wenn mit dem durch die Kapillarwände strömenden Wasser einige kleine Proteinmoleküle oder andere Stoffe mitgerissen werden, so heißt dies solvent drag126. Dieser vermindert den osmotischen Druckunterschied geringfügig. Das Ausmaß des Stofftransports hängt hierbei von der Höhe des Wasserflusses ab sowie von der Stoffkonzentration und von Eigenschaften der Poren in der Membran. Elektrisch geladene Teilchen (Ionen) können nicht ohne weiteres durch Zellmembranen hindurchtreten. Nicht oder nur gering elektrisch geladene Stoffe, z. B. schwache Säuren oder Basen, treten jedoch leichter durch eine Membran als deren geladene Formen. So ist z. B. für NH3 eine Zellmembran durchlässiger als für NH4+. Wenn ein Druckunterschied (Druckgradient) zwischen zwei Seiten einer porösen Membran besteht, kann es zu einem Transport durch Filtration kommen, wenn die Trennwand wasserdurchlässig ist. Dieser Vorgang findet z. B. in Blutkapillaren statt, zwischen deren Innenraum und den extrakapillären Räumen eine Druck-

48 Grundlagen

differenz herrscht (s. S. 339). Welche Stoffe durch die Poren der Membran hindurch filtriert werden, wird durch die Weite der Poren selbst bestimmt. So können bei Blutkapillaren kleine Moleküle, z. B. Peptide, aber auch kleine Ionen, mit dem Lösungsmittel durch die Trennwand filtriert werden, größere Eiweißkörper jedoch nicht. Stoffe, die sich an die Proteine binden, werden ebenfalls nicht filtriert. Dies hat zur Folge, daß Proteinbindung manche Stoffe davor schützt, ausgeschieden zu werden. Sie stellt deshalb die Transportform einer Reihe von Substanzen dar. Proteinbindung kann sich auch als Speicher für andere Stoffe, z. B. für Calcium oder Magnesium, auswirken. Ein passiver Transport, bei dem in der Membran ein Transportmolekül existiert, welches die zu transportierenden Moleküle binden kann und entsprechend der Konzentrationsdifferenz von einer Seite zur anderen schafft, heißt erleichterte Diffusion (englisch: facilitated diffusion). Viele biologisch wichtige Moleküle sind hydrophil und dadurch in ihrer Diffusion durch die Lipidschichten der Zellmembranen behindert. Derartige Stoffe, z. B. Glucose oder Aminosäuren, können aber durch in die Membran eingebaute Proteine, die Transportmoleküle (engl. Carrier), schneller transportiert werden. In welcher Weise ein Carrier die Stoffe durch die Membranen transportiert, scheint verschiedenartig zu sein. Es gibt Transportmoleküle in Zellmembranen, die durch Veränderung ihrer Konformation, d. h. ihrer Gestalt, ein angebundenes Molekül auf einer Seite der Membran erfassen und auf der anderen Membranseite wieder loslassen. Ein Carrier-vermittelter Transport erfolgt nicht nur entlang eines Konzentrations-Gradienten (sog. Bergab-Transport), sondern auch bergauf, dann aber mit Hilfe zusätzlicher, aktiver, energieverbrauchender Mechanismen. Die Geschwindigkeit eines solchen Stofftransports hängt von der Zahl der Carriermoleküle in der Membran und von der Konzentration des zu transportierenden Stoffs ab. Die Konzentrationsabhängigkeit zeigt eine „Sättigungscharakteristik“, wie sie auch für andere aktive Transporte (s. S. 74) gilt. Da die Carrier jeweils für bestimmte Stoffe spezifisch sind, können verschiedene Substanzen mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten transportiert werden.

Elektrische Erscheinungen bei passiven Transportprozessen. Eine Potentialdifferenz (elektrische Spannung) zwischen den beiden Seiten einer Membran ist für elektrisch geladene Stoffteilchen treibende Kraft. Positiv geladene Ionen (Kationen) können auf die negativ geladene Membranseite transportiert werden, negativ geladene Teilchen (Anionen) wandern auf die positiv geladene Seite, wenn die Membran für das entsprechende Ion durchlässig ist. Die Menge der Ionen, welche von einer Seite der Membran auf die andere transportiert werden können, hängt für die einzelne Ionenart vom Permeabilitätskoeffizienten und von der Ladung des Ions sowie von der Höhe der elektrischen Spannung (Potential) ab, die zwischen den beiden Seiten der Membran besteht. Die Durchlässigkeit einer Membran für Ionen wird als Ionenleitfähigkeit (g) bezeichnet. Die Leitfähigkeit für ein Ion ist gion = Ionenstrom/treibende elektrische Spannung. Die Auswirkungen dieser Vorgänge sind auf S. 57 und S. 153ff dargestellt. 1.2.2.2

Aktive Transporte

Wenn ein Stoff entgegen einem Konzentrationsgefälle transportiert wird („bergauf “), so ist das nur mit Hilfe aktiver Transportmechanismen möglich. Hierzu wird Energie benötigt, die aus dem Abbau energiereicher Stoffe stammt (s. S. 78). Die Energie beziehen die Zellen bzw. ihre „Transportmaschinen“ aus der Umwandlung von ATP in ADP (steht für Adenosintriphosphat und Adenosindiphosphat) oder GTP in GDP (Guanosintriphosphat und Guanosindiphosphat) direkt für den Transportmechanismus. Die Energiefreisetzung geschieht durch enzymatische Abspaltung von Phosphat aus den energiereichen Triphosphaten (s. S. 74). Intrazelluläre Transporte erfolgen nicht zufällig, sondern gerichtet entlang Filamenten oder Tubuli (s. S. 16), die als molekulare Schienen aufgefaßt werden können. Das Actin und das Tubulin, zwei Cytoskelettproteine, sind in ihren molekularen Transporteigenschaften recht gut bekannt. Das Tubulin, das der Baustein der Mikrotubuli ist, hat seinen Ausgangspunkt im Centrosom der Zelle. Von dort ausgehend werden die ca. 100 µm langen Mikrotubuli aneinander geket-

Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie

tet und können lange Transportschienen durch das Cytoplasma bilden. Dies geschieht z. B. in den Axonen von Nervenzellen, in denen Vesikel über Strecken von mehr als einem Meter Länge entlang der Mikrotubuli befördert werden (s. S. 139). Die kugelige Oberfläche der Tubulinhohlzylinder (Abb. 1/8, S. 16) bildet die Unterlage für den Transport. Strukturelle Unterschiede an den beiden Enden des Tubulinstrangs liefern die Voraussetzungen für eine Verlängerung bzw. Verkürzung des Strangs durch schnell ablaufende Anlagerung oder durch Abbau von Tubulinmolekülen. In Nervenaxonen wurde gemessen, daß Lipidvesikel mit einer Geschwindigkeit von 1- 5 µm/s vom Zentrum der Zelle (wird als Minus-Ende bezeichnet) in die Peripherie (wird als Plus-Ende bezeichnet) befördert werden. Die Zelle befördert fast genauso schnell die Mitochondrien in der gleichen Richtung, so daß die zugehörigen Energiefabriken gleich an den Orten vorhanden sind, an denen die molekularen Transportmaschinen Energie benötigen. Bisher wurden drei verschiedene Motorproteine charakterisiert. Sie heißen Kinesin, Dynein und Dynamin. Kinesin-Motoren transportieren Vesikel von zental nach peripher entlang der Mikrotubuli, Dynein-Motoren verschieben die Vesikel in umgekehrter Richtung. Das in Nervenzellen gefundene Dynein ist mit der Dyneinart verwandt, die man schon früher in Cilien von Einzellern gefunden hatte (s. S. 18). Vom Dynamin weiß man, daß es parallel angeordnete Mikrotubuli vernetzen kann und diese gegeneinander verschiebt. Dabei wird GTP und nicht ATP wie bei den beiden anderen Motorproteinen als Energiequelle verwendet. Es gibt verschiedenartige Kinesine. Allen gemeinsam ist, daß sie sich unter ATP-Verbrauch entlang ihrer Schiene, dem Mikrotubulus, bewegen. Das Kinesin, ein ausgestrecktes Tetramer, besteht aus zwei leichten Ketten mit ca. 550 Aminosäuren und zwei schweren Ketten mit ca. 1000 Aminosäuren. An den Stellen, mit denen diese am Tubulin anhaften (N-terminales Ende), besitzen sie zwei kugelförmige Köpfe aus jeweils etwa 450 Aminosäuren. In diesen Köpfen sind die Enzyme für die ATP-Hydrolyse und die Elemente zur „Motor“anheftung an den Mikrotubulus enthalten. An das andere C-terminale Ende der schweren Kette sind die leichten Ketten gebunden. Im Elektronenmikroskop sieht das Kettenende ebenfalls kugelig aus und enthält die Erkennungsstruktur (Domäne) für das Transportgut. Mit dieser Domäne heftet sie sich mit einem passenden Rezeptor an die zu transportierenden Vesikel. Zwischen Kopfteil und leichten Ket-

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ten befindet sich ein relativ steifer, schraubenförmig aufgebauter stielähnlicher Mittelteil. Cytoplasmatisches Dynein hat ein höheres Molekulargewicht, ist aber von ähnlicher Struktur wie Kinesin. Das kugelförmige Knäuel mit ca. 450 Aminosäuren bewirkt die Energiefreisetzung durch ATP-Hydrolyse, und hier findet auch die Umwandlung der freigesetzten Energie in die mechanische Kraft statt, die zur gerichteten Bewegung der Vesikel auf den Mikrotubuli führt. Soweit man weiß, erfolgt der Bewegungsvorgang durch eine ATP-abhängige Veränderung der Konformation des Moleküls, wobei die Teile, die am Tubulin liegen, mit ihren kugligen Köpfen sich abwechselnd an Tubulin anheften und wieder ablösen und dabei wandern. Auf welche Weise der Vorwärtsgang (zum Plus-Ende hin) oder der Rückwärtsgang eingeschaltet wird, weiß man noch nicht. Es ist auch noch nicht klar, wie die Moleküle vom Abgabeort ihrer transportierten Stoffe wieder zum Beladungsort zurückkehren. Auch bei der Zellteilung (morphologische Details s. S. 29 und S. 33) sind Motorproteine für die Bewegung der Chromosomen verantwortlich. Spindelmikrotubuli können hier Schienenfunktionen für Dynein übernehmen. Beim letzten Schritt der Zellteilung kommt ein anderes Motorprotein der Zellen ins Spiel: das Actin (s. S. 36). Mittels eines kontraktilen Rings wird in der späten Telophase die Elternzelle in zwei Tochterzellen zerteilt. Die Kontraktion dieses Rings wird durch das energieabhängige Wechselspiel von Proteinen bewirkt (s. S. 189).

Transporte durch Membranen Es sollen hier nicht die Membranstrukturen im Inneren der Zelle betrachtet werden, sondern nur die die Gesamtzelle umhüllende Membran, die Plasmamembran. Diese reguliert den Stoffaustausch zwischen Cytoplasma und extrazellulärem Raum. Ähnlich wie bei Vesikeln ist die Plasmamembran (Plasmalemm) eine Doppelschicht aus Lipiden (s. S. 7). Die Transportvorgänge müssen diese ca.10 nm dicke Barriere überwinden. Das ist für hydrophile Stoffe oder geladene Substanzen wie Ionen nur mit Hilfe besonderer Mechanismen möglich, da die Kohlenwasserstoffketten der Membranlipide kaum elektrische Verschiebungen zulassen. Wie auf S. 7 angegeben, sind aber in die Lipidmatrix der Plasmamembranen Proteine eingelagert, die wie Kanäle funktionieren und die Passage von wasserlöslichen Stoffen wie Zucker, Aminosäuren oder Ionen ermöglichen. Die zu transportierenden Stoffe sind unter Ruhebedingungen intrazellulär anders konzentriert als extrazellulär, so daß Konzentrationsgradienten bestehen. Es

50 Grundlagen

stellt sich die Frage, wie die Zelle solche Gradienten produziert, wie sie sie aufrecht erhält und woher sie die Energie dafür nimmt. Derartige Gradienten können enorme Ausmaße erreichen. So kann die Konzentration von Wasserstoffionen (Protonen) im extrazellulären Bereich des Magens eine millionmal höher sein als im Innern der säureproduzierenden Magenwandzellen. Die Ionen müssen hierbei entgegen ihrem Konzentrationsgefälle (bergauf) transportiert werden. Ein solcher Prozeß kann nur ablaufen, wenn er an einen anderen, energieliefernden Vorgang gekoppelt ist.Wenn die Umwandlung von energiereichem Phosphat (ATP in ADP oder GTP in GDP) direkt für den Transportmechanismus (z. B. bei Ionenpumpen, s. S. 58) verwendet wird, so heißt er primär aktiver Transport. Ist der Bergauftransport eines Stoffs (z. B. Glucose) an den passiven Transport eines Ions, z. B. Na+, gekoppelt, so heißt er sekundär aktiver Transport. Wenn zur Aufrechterhaltung der Na+-Gradienten durch primär aktiven Transport an anderer Stelle der Zellmembran die Substanz (z. B. Glucose oder Aminosäure) in gleicher Richtung transportiert wird, spricht man von Co-Transport (oder Symport). Als Gegentransport (Antiport) wird der Vorgang bezeichnet, bei dem der primär aktive Transport (z. B. von Na+) einen anderen Stoff (z. B. H+) in Gegenrichtung befördert. Verschiedene Formen der aktiven Transportmechanismen sind beispielhaft in verschiedenen Kapiteln beschrieben: Aufnahme von Stoffen aus dem Darm (s. S. 438), Abgabe von Stoffen aus Drüsengewebe (s. S. 702), Ionentransporte an Nervenmembranen (s. S. 153), Co-Transporte von Glucose und Natriumionen sowie von Aminosäuren und Natriumionen (s. S. 480). Die aktiven Transportmechanismen an Zellmembranen haben folgende charakteristische Eigenschaften: 1. Sie sind energieabhängig. Bei Energiemangel wird die Geschwindigkeit herabgesetzt. 2. Das einzelne Transportsystem ist in der Regel spezifisch für chemisch einander ähnliche Stoffe. Je nach Affinität zu den Bindungsstrukturen werden aber auch ähnliche Stoffe unterschiedlich gut transportiert. 3. Der Ablauf der Bewegung von aktiv transportierten Teilchen, d. h. ihre Kinetik, zeigt, daß nur eine bestimmte maximale Menge/Zeiteinheit transportiert werden kann. Der Transport zeigt also eine Sättigungskinetik. Derartige Vorgänge haben eine Analogie in der Umsetzung eines Substrats durch ein Enzym zum Produkt (s. S. 72). Für die Transportrate (= transportierte Stoffmenge/Zeiteinheit) Tsätt eines derartigen sättigbaren Transports (zu dem auch die erleichterte Diffusion zu rechnen ist, s. dort) gilt Tsätt = T max · cs / (Km + cs) [mol · m2 · s–1].

Dabei ist Tmax die maximale Transportrate einer Substanz, cS ist die Konzentration der zu transportierenden Substanz und K m deren Konzentration bei Halbsättigung (= 0,5 Tmax).

Molekulare Transportmaschinen in Plasmamembranen In die Plasmamembranen der Zellen sind Proteinmoleküle eingebaut, die unter Energieverbrauch Transportfunktionen erfüllen. Sie transportieren Stoffe bergauf und werden als Pumpen bezeichnet. Am besten untersucht ist die sog. Natrium-Kalium-Pumpe, ein Transportprotein, das beim Austausch von Kalium und Natrium durch die Membran hindurch beteiligt ist. Im Zentralnervensystem verbraucht diese Pumpe etwa die Hälfte der dort verfügbaren Energie. Sie ist biochemisch gesehen ein Enzym (s. S. 72) und heißt Na+/K+-ATPase. Sie hat wesentlichen Anteil daran, daß im Cytoplasma der meisten Zellen eine hohe Konzentration von Kalium (ca. 140 mM) und eine niedrige Konzentration von Natrium (ca. 10 mM) aufrecht erhalten werden kann und im extrazellulären Raum nur ca. 5 mM Kalium und 140 mM Natrium. Die Konzentrationsgradienten sind für Zellfunktionen wesentlich, z. B. die Aufrechterhaltung der Membranspannung, der Erregbarkeit, des Zellvolumens u. a. Diese ATPase benötigt für ihre Aktivität Kalium und Natrium. Sie ist so in die Zellmembran eingebaut, daß die Bindungsstelle für Kalium außen und diejenige für Natrium innen an der Zellmembran lokalisiert ist. Auch die katalytisch wirkende Struktur für die Hydrolyse von ATP befindet sich auf der cytoplasmatischen Membranseite. Die Berechnung der chemischen Umsetzungen (Stöchiometrie) eines Pumpzyklus ergab, daß bei der Spaltung eines ATP-Moleküls zwei Kaliumionen nach innen und gleichzeitig drei Natriumionen nach außen befördert werden. Hierfür steht in der Zelle genügend Energie zur Verfügung. Man vergleicht den Ablauf des Pumpvorgangs gern mit einem „Ping-Pong“-Mechanismus. Bei „Ping“ wird das Natrium aus der Zelle und bei „Pong“ das Kalium in die Zelle befördert. ATP hat dabei die Funktion der Schläger und die Membran die des Netzes. „Ping“ und „Pong“ entsprechen dabei zwei verschiedenen Konformationszuständen des Enzyms.

Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie In der Gegenwart von Natrium kann ATP an das Pumpenmolekül binden. Bei dieser Bindung bildet das Molekül zur Zellinnenseite hin eine Öffnung und ermöglicht, daß drei Natriumionen in die Öffnung eintreten. Bei der Bindung dieser drei Ionen in der Öffnung erfolgt eine Konformationsänderung des Enzymmoleküls, und die Öffnung wird verschlossen. Die Natriumionen befinden sich jetzt im Molekül wie in einer Tasche. Die Konformationsänderung des Moleküls mit den innen befindlichen Natriumionen setzt die ATP-abhängige Phosphorylierung des Proteins voraus. Das Phosphat wird vom ATP zur Verfügung gestellt. Dieser Prozeß ist nur in Anwesenheit der Natriumionen möglich. Danach erfolgt ein Übergang in einen zweiten Konformationszustand, bei dem sich das Molekül zum extrazellulären Raum hin öffnet. Dabei löst sich die Bindung der drei Natriumionen und sie gelangen in den Extrazellularraum. Durch die Änderung der Molekülkonformation haben sich bei nach außen geöffnetem Zustand des Pumpenmoleküls die Bindungseigenschaften der phosphorylierten ATPase so geändert, daß zwei Kaliumionen an das weniger energiereiche Molekül gebunden werden können. Das Protein kann jetzt in Anwesenheit von Kalium dephosphoryliert werden und zwei Kaliumionen in das Innere des Pumpenmoleküls einschließen. Jetzt kann sich ATP wieder an die Innenseite des Pumpenmoleküls binden und den Ausgangszustand wiederherstellen. Dabei öffnet sich das Molekül zur cytoplasmatischen Seite und entläßt die Kaliumionen in das Zellinnere. Nach der Bindung von Natriumionen beginnt der Pumpenzyklus erneut. Unter günstigen Bedingungen kann eine solche Pumpe den beschriebenen Zyklus etwa 150 mal pro Sekunde durchlaufen. Weil hierdurch elektrische Nettoladungen vom Zellinneren nach außen transportiert werden, wirkt die Na+/K+-ATPase wie ein Stromerzeuger (s. weiter unten) und trägt damit zur elektrischen Spannung zwischen Zellinnerem und extrazellulärem Raum bei. Der Zusammenhang zwischen den einzelnen Teilschritten und der Molekülstruktur ist allerdings noch nicht genau bekannt. Man konnte aber die Geschwindigkeitskonstanten und die Bindungskonstanten in den einzelnen Teilschritten ermitteln. Außer der Na+/K+-ATPase gibt es eine Anzahl weiterer Ionenpumpen. Sie transportieren z. B. Calciumoder Wasserstoffionen. Auch sie beziehen ihre Energie aus der Hydrolyse von ATP. Die Energie für einen Bergauftransport könnte auch durch den Bergabtransport einer zweiten Substanz gewonnen werden, wenn die beiden Mechanismen gekoppelt ablaufen. Symport- oder Antiport-Transporte sind derartige mit Energiefreisetzung einhergehende Prozesse.

1.2.2.3

51

Entstehen elektrischer Erscheinungen bei Transportprozessen

Außer den im letzten Teil des vorhergehenden Kapitels beschriebenen Mechanismen zur Erzeugung elektrischer Potentiale an zwei Seiten einer Membran kennt man auch noch andere Möglichkeiten. Dies zeigt ein einfaches physikalisches Experiment: Teilt eine Membran zwei Lösungsräume, in denen Ionen so ungleich konzentriert sind, daß eine Differenz der Ladungen zwischen den beiden Räumen auftritt, so entsteht eine elektrische Spannung zwischen den beiden Lösungsräumen, das Diffusionspotential. Können die Ladungsdifferenzen mittels Diffusion der Ionen durch die Membran ausgeglichen werden, so ist ein Diffusionspotential nur vorübergehend meßbar. Können aber in einem Lösungsraum befindliche elektrisch geladene Moleküle wegen ihrer Größe (Proteinmoleküle) die Membran nicht durchdringen, wohl aber andere kleine Ionen, welche sich in der Lösung befinden, so bleibt ein Diffusionspotential bestehen. Dies ist auch der Fall, wenn kleine Ionen die Membran zwar passieren können, aber durch aktive Transportprozesse immer wieder in einen Lösungsraum zurückgeholt werden. Die Eigenschaften der Membran hinsichtlich ihrer Durchlässigkeit für einen Stoff werden durch den Permeabilitätskoeffizienten beschrieben. Unterschiedliche Konzentrationen der meist anionisch geladenen Proteine bestehen zwischen Zellinnerem und extrazellulären Räumen, aber auch zwischen dem Inneren von Kapillaren und den extrakapillären, extrazellulaären Räumen. Im intrazellulären Raum und im Blutplasma ist die Proteinkonzentration höher als im extrazellulären (interstitiellen) Raum. Wenn sich in einer Zelle mehr elektrisch geladene Proteine (in Form von Anionen) befinden als außerhalb, und wenn gleichzeitig kleine Kationen, z. B. K+, in der Zelle im Überschuß vorhanden sind, diffundieren die Kaliumionen aus der Zelle in den Extrazellularraum, sofern die Zellmembran für diese Ionen durchlässig (permeabel) ist. Das ist allerdings bei Lipidmembranen nur in sehr geringem Ausmaß der Fall. Der Anhäufung im Extrazellularraum steht dann ein Verlust von positiven Ladungsträgern im Intrazellularraum, also ein Überwiegen der negativen Ladungen im Zellinneren gegenüber. Es sind somit unterschiedliche Ladungsmengen beiderseits der Membran entstanden. Das dadurch auftretende elektrische Potential verhindert den weiteren Austritt von Kaliumionen und bewirkt, daß die positiven Ionen wieder in Richtung Zellinneres gezogen werden. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein zwischen der nach außen gerichteten „Diffusionskraft“ und der nach innen gerichteten elektrischen Kraft, so daß der Nettostrom durch die Membran Null wird. Das bei diesem Gleichgewicht

52

Grundlagen

der Kräfte ausgebildete elektrische Potential zwischen den beiden Seiten der Membran heißt Gleichgewichtspotential. Es wird in der Regel für eine Ionensorte durch eine Abkürzung gekennzeichnet, welche das Ion identifiziert. Zum Beispiel wird das Gleichgewichtspotential für Kalium mit EK bezeichnet. Wenn lediglich ein elektrochemischer Gradient die Ionentransporte bestimmt und aktive Transporte fehlen, dann heißt das Gleichgewicht DONNAN-Gleichgewicht 127.

Das zwischen dem Zellinneren (i) und dem Extrazellularraum (e) entstehende Gleichgewichtspotential (ED) der Membran beträgt für die Gesamtheit der durchtrittsfähigen Ionen und für die einzelnen Ionenarten ED

= R · T · (n · F)–1 · ln [Kat+]e / [Kat +]i = R · T · (n · F)–1 · ln [A–]i / [A–]e

E = Gleichgewichtspotential; D = Index zu E als Gleichgewichtspotential; R = allgemeine Gaskonstante (= 8,31 J · K–1 · mol–1 ); T = absolute Temperatur (im Körper: 310 K); F = FARADAYKonstante, die Ladung pro mol (= 9,65 · 104 A · s · mol–1); n = Betrag der Ladungszahl der Ionen (1 für K + oder Na+, 2 für Ca2+, 1 für Cl– usw.); ln = natürlicher Logarithmus; Kat+ = Kationen und A– = Anionen. Der Index e steht für extrazellulär, der Index i für intrazellulär. Die Gleichung vereinfacht sich zu [Kat+]e / [Kat+]i = [A–]i / [A–]e oder [Kat+]e · [A–]e = [Kat+]i · [A–]i Im elektrischen Gleichgewicht müssen also die Produkte der Konzentrationen diffusibler Anionen und Kationen beiderseits der Membran gleich sein. In Abb. 1/25 ist stark ein vereinfachtes Beispiel für die Einstellung eines derartigen Ionengleichgewichts an der Zellmembran (DONNAN-Gleichgewicht) dargestellt. In zwei gleichgroßen Flüssigkeitsräumen ist die Elektroneutralität zunächst durch 15 Chlorid- und 15 Natriumionen auf der einen Seite der Membran und 15 Natrium-, 5 Chlorid- und 10 Proteinionen auf der anderen Seite gegeben. Weil jedoch die Bedingung erfüllt sein muß, daß bei einer Membran, die nur für Salze (= permeable Kationen und Anionen), aber nicht für Proteine durchgängig ist, die Produkte der diffu-

127

D ONNAN, F., 1870-1930, engl. Chemiker.

Abb. 1/25: DONNAN-Verteilung in zwei gleichgroßen Flüssigkeitsräumen vor Einstellung des Ionengleichgewichts (oben) und nach Einstellung des Gleichgewichts (unten).

siblen Kationen und Anionen auf beiden Seiten gleich sein müssen, stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem auf der einen Seite 12 · 12 und auf der anderen Seite 8 · 18 diffusible Ionen vorliegen. Diese Verteilung der Ionen bewirkt, daß auf der proteinhaltigen Seite die Gesamtionenzahl größer ist als auf der proteinfreien Seite. Die Folge ist, daß ein elektrisches Potential entsteht, das errechenbar ist und an vielen Zellen ca. 1 mV beträgt.

Aus der ungleichen Ionenverteilung zwischen Zellinnerem und -äußerem und den dadurch bedingten osmotischen Kräften (Zellturgor, s. S. 47) wird auch eine ungleiche Wasserverteilung zwischen Intrazellularraum und Extrazellularraum verständlich, denn die zahlreicheren Moleküle im Zellinneren bewirken einen höheren osmotischen Druck. (Die ungleiche Proteinverteilung spielt auch bei den auf S. 465 beschriebenen Unterschieden zwischen Gefäßinnen- und Zwischenzellraum eine Rolle.) Die Spannung E, die durch die Konzentration der verschiedenen Ionenarten beiderseits der Membran verursacht wird, beträgt entsprechend der oben dargestellten Gleichung E=

R.T. ln (ce/ci) n.F

wobei ce = extrazelluläre Konzentration, ci = intrazelluläre Konzentration bedeuten. Setzt man für dieTemperatur = 310 Kelvin (Körpertemperatur) ein, faßt (R · T)/(n · F) und den dekadischen Logarithmus anstelle des Logarithmus na-

Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie

turalis zur Konstanten K zusammen – sie beträgt bei einwertigen Ionen (n = 1) 61 mV –, dann wird die elektrische Potentialdifferenz E = K · lg(ce/ci) Diese Gleichung heißt NERNSTsche Gleichung128. Sie beschreibt die Beziehung zwischen chemischer potentieller Energie und elektrischer potentieller Energie bei ungleicher Ionenverteilung beidseits einer Membran (Anwendung der Gleichung s. S. 57). Ionentransporte durch Proteinkanäle von Plasmamembranen Membranproteine, die als Ionenkanäle bezeichnet werden, sorgen in erster Linie für den Durchtritt von Ionen durch die Plasmamembran von Zellen. Sie sind die „Poren“ für die Ionenpermeabilität der Zellmembran. Eine Analyse der Ionenströme wurde möglich, als es gelang, eine mit konzentrierter Kochsalzlösung gefüllte Glas-Mikroelektrode von weniger als 1 µm Durchmesser durch die Plasmamembran in das Zellinnere einzustechen, ohne die Zelle so sehr zu schädigen, daß ihre elektrische Membranfunktion, die einer Batterie gleicht, zusammenbrach. Gelangt man mit der Elektrodenspitze in das Cytoplasma, so registriert man im Ruhezustand der Zelle eine elektrische Spannung gegenüber dem Extrazellularraum. Durch Konvention wurde das Zellinnere als negativ bezeichnet. In ruhenden Muskelzellen und Nervenzellen wurde eine Membranspannung von ca. –70 mV gemessen. Bei dieser Technik ist es möglich, die Membranspannung auf beliebige Höhe zu bringen und konstant zu halten (im Fachjargon: die Spannung zu klemmen), indem man durch die Mikroelektrode unter Verwendung eines Regelverstärkers dem Zellinneren

128

129

130

NERNST, W., 1864-1941, Prof. der Physik in Göttingen und Berlin. Einer der Begründer der physikalischen Chemie. HODGKIN, A. L., und HUXLEY, A. F. (Nobelpreisträger) analysierten Anfang der 50er Jahre dieses Jahrhunderts die vorübergehende Depolarisation der Membranspannung vom Ruhepotential bei Nervenimpulsen. NEHER, E., und SAKMANN, B. (Nobelpreis 1991) entwickelten 1976 in Göttingen das Patch-clamp-Verfahren.

53

Strom zuführt. Die dabei durch die Membran fließenden Ionenströme kann man messen. Die Technik heißt Spannungsklemme (voltageclamp). Es zeigte sich, daß sich durch äußeren Reiz die Membranspannung erregbarer Zellen (Nervenoder Muskelzellen) kurzzeitig massiv verändern kann, so daß die Zellbatterie sogar vorübergehend umgepolt wird: Das Potential wird im Cytoplasma positiv gegenüber dem Extrazellulärraum. Den Vorgang nennt man Depolarisation. Die Physiologen A. L. HODGKIN und A. F. HUXLEY129 konnten die Umpolung auf das Fließen eines Stroms von Natriumionen und Kaliumionen durch die Plasmamembran entlang der bestehenden Konzentrationsgradienten dieser Ionen zurückführen. Auf Grund ihrer Untersuchungen mußte man schließen, daß in die Zellmembran regelbare Ionenschleusen eingebaut waren, durch die Kalium- und Natriumströme fließen konnten, wenn die Schleusentore offen waren. Durch elektrische, aber auch durch bestimmte chemische und mechanische Reize ließen sich die Durchlässe, die man jetzt Ionenkanäle nennt, vorübergehend öffnen. Je nach Natur des Reizes bezeichnet man die Kanäle als spannungsgesteuert bzw. als chemisch oder mechanisch aktivierbar. E. NEHER und B. SAKMAN N130 saugten mit einer Mikrokapillare einen Zellwandbezirk an die Kapillaröffnung, zogen die unter leichtem Unterdruck stehende Kapillare zurück und rissen dabei das Stück der Zellwand ab, welches unter der Kapillaröffnung lag und das nun wie ein Deckel die Kapillare verschloß. Zwischen dem Inneren der mit Salzlösung gefüllten Kapillare und der Lösung, in der sich die durch die Zellwand verschlossene Kapillarspitze befindet, wird eine elektrische Spannung gemessen. Diese kann durch Stromzufuhr verändert werden, wenn sich ein spannungsempfindlicher Ionenkanal oder eine Anzahl von Kanälen im angesaugten Membranfleck (Patch) befinden, und man kann den Strom messen, der bei einer vorgegebenen Spannung (s. oben: Spannungsklemme = voltage clamp) durchfließt. Durch den Unterdruck in der Kapillare ist gewährleistet, daß fast kein Strom an den Rändern des Membranflecks zwischen Glaswand und Membran fließen kann. Mit dieser Technik gelang es, den Strom durch einen einzelnen Ionenkanal zu registrieren. Die registrierbaren Kanalöffnungs- und -schließungsvorgänge sind stufenartige Stromänderun-

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Grundlagen

Abb. 1/26: Oben: Einzelkanalregistrierung eines Kaliumkanals mit der Membranfleckklemme (patch-clamp). Der Membranfleck ist so orientiert, daß seine Cytosolseite der Badlösung und die extrazelluläre Seite der Pipettenlösung zugewandt ist. Der Stromfluß durch den Membranfleck wird verstärkt, mittels Meßgerät bestimmt und auf dem Oscillographen dargestellt. Bei der vorgegebenen Klemmspannung ist auf dem Oscillographen ein typischer Kanalstrom erkennbar. Kanalöffnungen führen zu positiven (nach oben gerichteten) Stromauslenkungen, häufig in Form von Gruppen (bursts). Die positiven Stromauslenkungen (Offenzustände des Kanals) bleiben nur kurz erhalten. Die Stromspur kehrt danach immer wieder auf das Nullstromniveau zurück. Unten: Acetylcholinrezeptor, bestehend aus fünf Untereinheiten (α, γ, α, β, δ). Die beiden α-Untereinheiten sind identisch. Die Untereinheiten sind zusammenhängende Polypeptidketten, welche durch die Lipid-Doppelschicht (Zellmembran) hindurchreichen. Der linke Teil des Bildes zeigt die äußere Kontur des Rezeptors. Er ragt etwa 6 nm aus der Zelloberfläche in den Extrazellulärraum hinein. An zwei Untereinheiten sind Bindungsstellen für Acetylcholinmoleküle (ACh) erkennbar. Oberhalb des Molekülkomplexes ist schematisch ein ACh dargestellt, das in die Bindungsstelle paßt. Rechts ist ein aufgeschnittener Rezeptormolekülkomplex zu erkennen. An seiner engsten Stelle, nahe der inneren Oberfläche der Membran, ist er nur 0,6 bis 0,8 nm breit. An der engsten Stelle sowie am äußeren und inneren Membrandurchtritt liegen Ringe negativer Ladungen (nicht dargestellt). Sie spielen eine Rolle bei der Bindung von Kationen. Der mittlere, an der engsten Kanalstelle liegende Ring ist wahrscheinlich die wesentliche Struktur für die Selektion von Ionen (Selektionsfilter). Ein ACh-Molekül hat an einem Kanalprotein angedockt. Nicht dargestellt sind Zuckerreste, die von den Kanalproteinen in den Extrazellulärraum hineinragen, sowie die intrazellulären Verbindungen der Kanalproteine, z. B. mit dem Cytoskelett.

Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie

gen (Abb. 1/26) und erfolgen in vielfacher Wiederholung. Die Höhe (Amplitude) einer Stromstufe ist ein Maß der Transportkapazität des Ionenkanals. Die Öffnungsdauer der Kanäle ist unterschiedlich. Durch einen Natriumkanal fließt bei einer 1 ms langen Öffnungszeit ein Strom von ca. 1 pA, d. h. eine Ladung von Q = I · t = C · V = 10–15 Ampère-Sek. (As). Zusammen mit der Elementarladung von 1,6 · 10 –19 As ergibt sich daraus ein Fluß von etwa 6000 Natriumionen. Das bewirkt eine Änderung des Membranpotentials. Die Potentialänderung kann nach E = I · t/C berechnet werden. Da die Membrankapazität C etwa 1 µF/cm2 (1 F = 1 As/V) beträgt, kann durch eine Kanalöffnung bei einem Kanal pro µm2 Zellfläche die einströmende Ladung (10–15 As/µm2) das Membranpotential um 100 mV verändern. Wenn der Reiz gleichzeitig mehrere Kanäle trifft, wird die Summe der Ionenströme groß, ebenso, wenn der Kanal längere Zeit geöffnet bleibt. Beim Überschreiten eines Schwellenwerts breitet sich der Depolarisationsprozeß über die gesamte Zellwand aus und stellt die Grundlage für das Aktionspotential dar (s. S. 155). Die Transportkapazität des Ionenkanals liegt um einen Faktor von ca. 10 000 höher als die der Na+/K+-Pumpe. N EHER und SAKMANN untersuchten auch die Kontaktstellen von Nervenendigungen mit Muskelzellen. Hier spielt eine Überträgersubstanz, das Acetylcholin, eine entscheidende Rolle für die Erregung der Muskelzellen (s. S. 171 und S. 188). Das fand man, als Acetylcholin der Elektrolytlösung in der Glaskapillare zugesetzt wurde, deren Ende mit einem Membranfleck aus der Muskelendplatte verschlossen war. (Das ist der Teil der Muskelmembran, an dem ein motorischer Nerv endet, s. S. 187.) Acetylcholin bindet sich als sogenannter Ligand an ein dort vorkommendes Membranprotein an, das als Acetylcholinrezeptor bezeichnet wird, aber zugleich als Ionenkanal funktioniert. Ähnlich wie bei einem spannungsgesteuerten Ionenkanal, erfolgen bei dieser Kanalart nach Bindung des Liganden sprunghafte Ein- und Ausschaltungen von Ionenströmen durch die Membran. Wenn die Acetylcholinmoleküle an ihren Rezeptor gebunden sind, öffnet sich zunächst der Kanalteil des Rezeptor-Kanalkomplexes und springt nach unterschiedlich langer Zeit wieder in den geschlossenen Zustand zurück. Es zeigte sich bald, daß auch bei den anderen Überträgerstoffen (s.

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S. 171) Rezeptor-Kanalkomplexe für die Erregbarkeit wesentlich sind. Mit gentechnischen Methoden wurden in den letzten Jahren Rezeptor-Kanalkomplexe für die Forschung verfügbar gemacht. Der bereits erwähnte Acetylcholinrezeptor ist am besten untersucht. Der Rezeptorprotein-Kanalkomplex (Abb. 1/26) besteht aus 5 Untereinheiten, welche selbst kompliziert aufgebaut sind und aus Proteinen bestehen. In ihnen findet man eine Struktur, die α-Helix, mit deren Hilfe die Proteingruppen vierfach durch die Zellmembran treten. Die Untereinheiten sind so angeordnet, daß sie zusammen eine Pore durch die Membran ermöglichen. Vier der fünf Untereinheiten weisen einen hohen Grad von struktureller Übereinstimmung auf. Daß diese Proteine die hydrophobe Zellmembran durchdringen können, liegt daran, daß sie selbst wasserabstoßende Abschnitte besitzen und sich deshalb leicht in die Lipid-Zellmembran einfügen und diese durchdringen können. Die Außenseite einer Helix-Einheit kleidet die Kanalwand aus und bildet eine Struktur, die den Dauben eines Fasses ähnlich ist. Die Rezeptoren für andere Überträgersubstanzen unterscheiden sich vom Acetylcholinrezeptor in einigen Seitenketten. Das „Rückgrat“ der Proteine ist eine Polypeptidkette. Es ist für die verschiedenen Transmitterrezeptoren gleichartig. Es ist bemerkenswert, daß ein Austausch von nur drei Aminosäuren ausreicht, um einen kationenselektiven Acetylcholinrezeptor in einen anionenselektiven Rezeptor umzuwandeln. Bei gentechnischen Untersuchungen fand man, daß spannungsabhängige Kaliumkanäle aus vier identischen Proteinen mit je sechs helixartigen Strukturen bestehen. Die beiden Enden dieser Untereinheiten liegen im Inneren der Zelle. Der transmembranäre Teil des Kanalproteins besitzt 16 α-Helixstrukturen, die einen zentralen Zylinder aus 8 derartigen molekularen Schrauben umgeben. Vier von ihnen sind wahrscheinlich Sensoren, die auf Änderungen der äußeren Spannungswerte reagieren. Verschiebt sich die äußere Spannung in positiver Richtung, z. B., wenn ein depolarisierend wirkender Stoff an den Rezeptor andockt, werden bei der Depolarisation die betroffenen Kaliumkanäle geöffnet. Die Schrauben- (= Helix-)-teile bewegen sich dabei in Richtung auf die äußere Membranoberfläche. Bei anderen Typen von Kaliumkanälen, z. B. den calciumaktivierbaren Kaliumkanälen, ist der Mechanismus jedoch anders. Die Sensoren dieses und anderer Kaliumkanäle sind noch nicht genauer erforscht. Die engste Stelle der Ionenkanäle, die eigentliche Pore, in der die Ionensorte bestimmt und ausgewählt wird, für die der Kanal durchlässig ist, besteht aus einem Ring von vier gleichen Aminosäuren (Tyrosinen). Diese vier aus den insgesamt ca. 1000 Aminosäuren sorgen letztlich für die biologisch bedeutsame Selektivität dieser Proteinkanäle.

56

Grundlagen

Die Ionenkanäle sind spezifisch für einzelne Ionenarten. So läßt ein Natriumkanal keine Kaliumionen durchtreten. Auch mechanischer Zug oder Dehnung einer Zellmembran, wie sie z. B. bei osmotisch bedingter Zellschwellung auftritt, kann Ionenkanäle öffnen. Auch beim Hörvorgang spielen mechanisch aktivierbare Kaliumkanäle eine wichtige Rolle (s. S. 546) zur Umsetzung von Tönen (mechanische Schwingungen) in elektrische Impulse. Die bisher beschriebenen Ionentransporte wurden durch von außen auf die Zellen wirkende Reize hervorgerufen. Es gibt aber auch Stoffe, die an Rezeptoren von Zelloberflächen festmachen, welche nicht mit einem Ionenkanal verbunden sind. Wenn die Ankopplungen nachfolgend im Zellinneren Botenstoffe freisetzen (s. S. 154), können diese aus dem Inneren der Zelle Ionenkanäle aktivieren. Ein solcher Vorgang beteiligt mehrere Glieder an der Kanalaktivierung. Derartige Signalketten (Transduktionsketten) spielen eine große Rolle für den Zellstoffwechsel (s. S. 74, S. 80, S. 154 und S. 700). Um diese Transduktionsketten in ihrer Bedeutung für Ionenkanäle zu untersuchen, wurde die Patch-Clamp-Technik erweitert. Nach Herausreißen des Membranflecks aus der Zellmembran konnte man zwar die Ionenkanäle im Membranstück untersuchen, das die Kapillaröffnung verschloß, aber nur abgekoppelt von der Stoffwechselmaschinerie im Zellinneren. Es wurde daher die sog. Ganzzellableitung entwickelt, mit der sich auch die Vorgänge im Zellinneren untersuchen ließen, die zur Aktivierung von Ionenkanälen führten. Hierzu wird nach erfolgreicher Ansaugung und Abdichtung der Membran mit der Mikrokapillare das Membranareal so stark angesaugt, daß es platzt. Das entstehende, winzige Loch in der Membran ermöglicht einen direkten Zugang zum Inneren der Zelle. Durch die Kapillare können dem Zellinneren Substanzen zugesetzt werden, die in das Cytoplasma diffundieren. Aus Untersuchungen der Muskelerregung (s. S. 179, S. 188 und S. 313) sowie der Erregungsübertragung an Nervenzellen (s. S. 153) ist bekannt, daß Calciumionen als ein intrazellulärer Botenstoff an den genannten Funktionen maßgeblich beteiligt ist. Wenn man Calciumionen durch die Mikrokapillare in die Zelle einführte, banden sie an eine Reihe verschiedener Kaliumkanäle, wodurch diese geöffnet

wurden. Dabei fand man eine Proteinklasse, die G-Proteine genannt wurden, denn sie binden Guanyl-Nukleotide. Das oben beschriebene GTP gehört hierzu. Viele der inzwischen bekannten Rezeptorproteine, die nach außen gerichtet in den Zellmembranen verankert sind und als Andockstellen für Hormone fungieren, geben deren Anweisungen (Signale) an G-Proteine weiter, indem sie eines oder mehrere dieser an der Membraninnenseite liegenden Proteine aktivieren. Das geschieht dadurch, daß der Proteinkomplex, der sich durch die Hormon-Rezeptorbindung bildet, seine Konformation ändert und sich jetzt an das G-Protein anlagern kann. Eine Untereinheit des G-Proteins kann sich ablösen und an einen Effektor (z. B. Ionenkanal) anbinden. Durch die oben beschriebene Bindung von Acetylcholin wird auf diese Weise ein GProtein aktiviert, dessen α-Untereinheit zu einem Kaliumkanal wandert, dort gebunden wird und die Kanalöffnung auslöst. Ist der Effektor ein Enzym, z. B. Adenylat-Cyclase (s. S. 700), so werden weitere Botenstoffe in Gang gesetzt, z. B. Kinasen (Abb. 2/47, S. 180). Diese können durch Übertragung einer Phosphatgruppe ebenfalls Ionenkanäle aktivieren. Ein Effektorsystem der G-Proteine, die Phospholipase C, kann ihrerseits in der Membran Botenstoffe aus einem Membranlipid herstellen. Einer dieser Botenstoffe setzt Calcium aus intrazellulären Calciumspeichern frei, was wiederum zur beschriebenen Kanalaktivierung führen kann.

Es besteht also ein Netzwerk von Mechanismen für Ionentransporte durch Zellmembranen, bei dem verschiedenartige Grundprozesse beteiligt sind. Man kann Kanäle mit Giften oder Pharmaka blockieren. Das Skorpiongift Charybdotoxin blockiert den Ionendurchtritt, indem es sich an der Kanalmündung festsetzt. Tetraethylammonium bindet, wenn man es von außen an die Zellen bringt, ebenfalls an die Mündung von Kaliumkanälen. Wenn man es in das Innere der Zelle injiziert, gelangt es in die Nähe der eigentlichen Pore und blockiert dort. Tetrodotoxin, das Gift des japanischen Kugelfischs, bindet an Natriumkanäle und verhindert den Natriumeinstrom.

Nach Kenntnis der elektrischen Vorgänge an den Zellmembranen lassen sich die Gleichgewichtspotentiale für einzelne Ionensorten errechnen. Setzt man in die NERNSTsche Gleichung (s. S. 53) die Werte für das extra- und intrazelluläre Kalium K+ ein und errechnet die Werte für die nicht erregte Zelle, bei welcher mittels passiver und aktiver Transportprozesse Kalium im Zellinnern 155 mmol/l, im Extrazellularraum 4 mmol/l beträgt, so ergibt sich

Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie

ED = 61 mV · lg

[K+e] [K+i]

ED = 61 mV · lg

4 155

ED = 61 mV · lg 0,026 = 62 mV · (–1,59) = – 97 mV Das so errechnete Potential ist das Gleichgewichtspotential einer Zelle für Kalium. Dieser Wert zeigt, daß bei einem Membranpotential von –97 mV dann E = 0 wird. Bei diesen Bedingungen tritt weder ein Kaliumeinstrom noch ein Kaliumausstrom auf. Damit besteht kein Nettostrom. Man nennt das Gleichgewichtspotential deshalb auch Nullstrompotential. Nicht bei allen Zellen sind die intra- und extrazellulären Kaliumwerte so wie in obiger Rechnung. Das ist der Grund, daß die Kaliumgleichgewichtspotentiale bei manchen nicht erregten Zellen Werte von –85 oder –90 mV haben. Für die Na+- und Cl–-Ionen können die entsprechenden Gleichgewichtspotentiale in derselben Weise ermittelt werden. Weil Natrium außerhalb der Zellen sehr viel höher konzentriert ist als innerhalb der Zellen, ergibt sich für dieses Ion ein Gleichgewichtspotential von +66 mV bei der nicht erregten Zelle und für Chlorid in vielen Zellen ein Gleichgewichtspotential von –90mV. Das Cl–Potential liegt aber nicht bei allen Zellen in der gleichen Höhe wie das Potential für K+, was an den Kanälen liegt und sich in den ermittelten Permeabilitätskonstanten zeigt. Bei der Potentialbildung an Zellmembranen sind die drei erwähnten Ionenarten stets mehr oder weniger stark beteiligt und müssen bei der Ermittlung des Potentials an Zellmembranen auch alle berücksichtigt werden. Die Permeabilität der Membran, welche durch die Permeabilitätskonstante PK ausgedrückt wird, ändert sich, wenn die Membran erregt wird. Mit der Änderung der Permeabilität ändern sich auch die Konzentrationen der einzelnen Ionenarten während der Erregung. Die folgende Gleichung gestattet, die Beteiligung der Ionenarten zu jedem Zeitpunkt der Erregung zu bestimmen:

57

Dabei bedeuten PK, PNa und PCl die Permeabilität der Zellmembran gegenüber dem jeweiligen Ion; in eckigen Klammern stehen die Ionenkonzentrationen. Verwendet man die in Tab. 2/2, S. 156, dargestellten Ionenkonzentrationen bei einer unerregten Muskelzelle, so ergibt sich ein Potential zwischen Zellinnerem und Außenraum (Interstitium) von

Das bedeutet, daß bei diesem Zustand der Membran ein Wert vorliegt, der etwa dem Kaliumgleichgewichtspotential entspricht.

1.2.3

Ruhemembranpotential

Die Zusammensetzung der Ionen im Zellinnenraum ist anders als diejenige des Interzellulärraums (Interstitium) (Abb. 11/2, S. 466). Es bestehen daher Gradienten der potentiellen elektrischen Energie durch die Zellmembran, die Membranpotential genannt werden. Im nicht erregten Zustand sind die am Membranpotential beteiligten Ionen so verteilt, daß die negativen Ladungen im Zellinneren überwiegen. Die nicht diffusiblen anionischen Proteine sind im Extrazellularraum erheblich niedriger konzentriert als im Zellinneren. Sie bilden zusammen mit anderen organischen Ionen einen Großteil der intrazellulären Anionen. Die Konzentrationen diffusibler Anionen und Kationen sind in Tab. 2/2 (s. S. 156) aufgeführt. Für das Kation Na+ ist die Membran nur wenig durchlässig. Die Membranpermeabilität für Kalium ist bis zu hundertmal größer. Auch Chlorid kann leichter permëieren als Natrium. Die ungleiche Ionenverteilung bewirkt die Höhe des Ruhemembranpotentials. Dieses variiert von Zellart zu Zellart und beträgt zwischen –10 und –100 mV. Es gibt mehrere Ursachen für die ungleiche Ionenverteilung der intra- und extrazellulären Flüssigkeit:

58

Grundlagen

1. Unterschiedliche Permeabilität für einzelne Ionenarten. Sie bewirkt z. B., daß ein Gefälle der Na+Konzentration zwischen innen und außen nicht ohne weiteres durch passive Rückdiffusion aufgehoben werden kann. 2. Beim Vorliegen eines Gleichgewichtspotentials für ein Ion ist der von ihm verursachte Netto-Ionenstrom Null. Wenn sich das Membranpotential EM vom Gleichgewichtspotential ED entfernt, so weicht der Netto-Ionenstrom um so stärker von Null ab, je weiter das Membranpotential vom Gleichgewichtspotential verschieden ist. Bei der elektrischen Spannung zwischen dem Inneren und Äußeren einer unerregten Zelle von –80 mV besteht für Na+-Ionen ein treibendes Potential (ETR) von ca. 145 mV. Dieses errechnet sich als Differenz zwischen dem Membranpotential von –80 mV und dem Gleichgewichtspotential von +65 mV (ETR = EM – ED). Für Kalium, dessen Gleichgewichtspotential –90 mV ist, besteht beim Ruhemembranpotential von –70 mV ein treibendes Potential von +20 mV (in Gegenrichtung zum Potential für Na+). Wegen der beschriebenen geringen Durchlässigkeit der Membran für Natrium kann trotz der hohen treibenden Kraft Natrium schlecht in die Zellen einströmen. In der Anfangsphase einer Zellerregung (s. S. 154) wird die Membrandurchlässigkeit für Na+ plötzlich und vorübergehend erhöht und es kann Na+ wegen des hohen treibenden Potentials sehr schnell in die Zelle eindringen. Wenn lediglich ein Austausch von verschiedenen, aber gleich geladenen Ionen durch die Membran erfolgt, z. B. Na+ gegen K+, so ist der Transport elektroneutral. Wenn aber durch den Transport ein Überschuß von Ionen in eine Richtung transportiert wird, so entsteht eine Potentialänderung (z. B. Ca++ gegen K +). Dies ist dann ein elektrogener Transport. 3. Aktiver Transport von Natrium-, Kaliumoder Calcium-Ionen (s. oben). Erfolgt lediglich ein passiver Ionentransport, so kommt es mit der Zeit intrazellulär zu einem zunehmenden Verlust von K+ und einer Zunahme von Na+. Wegen der relativ hohen Durchlässigkeit der Zellmembran für Kalium hätte das eine Abnahme des Ruhemembranpotentials der

Zellen zur Folge, das im wesentlichen ein Kaliumpotential ist. Zur Aufrechterhaltung eines Ruhemembranpotentials sind deshalb aktive Transportprozesse durch die Ionenpumpen erforderlich.

1.2.4

Ionenpumpen

Der Aufbau der Ionenpumpen wurde bereits beschrieben (S. 50). Die molekularen Eigenschaften der Na+/K+-Pumpen und die Permeabilität der Zellmembran für Na + und K+ sind so aufeinander abgestimmt, daß sich bei der lebenden Zelle ein Fließgleichgewicht bei einer intrazellulären Na+-Aktivität (Konzentration) von 7-10 mmol/l und einer intrazellulären K+-Aktivität von ca. 110 mmol/l einstellt. Dieser Gleichgewichtswert ist nicht fixiert. So bewirkt Blokkierung der Natriumpumpen (z. B. durch Abkühlung), daß das Zellinnere weniger negativ wird. Die Ionenpumpe spielt eine Rolle zur Verstärkung der Polarisation an Herzmuskelzellen und an dünnen Nervenfasern sowie bei der Modulation der Dauer eines Aktionspotentials. Eine typische Nervenzelle hat am Zellkörper etwa 1 Million Ionenpumpen. Jede einzelne Pumpe vermag in der Sekunde bis zu 600 Natriumionen aus der Zelle und bis zu 400 Kaliumionen in die Zelle zu transportieren. Die tatsächliche Aktivität ist im allgemeinen niedriger und vom jeweiligen Erregungszustand abhängig. Diese Art von aktivem Transport verläuft relativ langsam im Gegensatz zum schnellen Transport durch Ionenkanäle (s. S. 55). Die energieverbrauchenden Ionenpumpen können durch Sauerstoffmangel, aber auch durch Gifte, z. B. Cyanid oder Dinitrophenol, die den Energiestoffwechsel beeinträchtigen,in ihrer Funktion gehemmt oder blockiert werden, was zu schweren Störungen mit tödlichen Folgen führen kann. Herzglykoside (Digitalis) hemmen die Na+/K+-ATPase. Hierbei steigt das intrazelluläre Na+ an, welches dann gegen Ca++ ausgetauscht wird. Am Herzen bewirkt das in die Zellen strömende Calcium eine Verstärkung der Kontraktion (s. S. 314).

Biophysikalische Grundlagen; Maßsysteme in der Biologie

1.2.5

Vesikulärer Transport (s. auch S. 8)

Allgemein handelt es sich beim vesikulären131 Transport um Cytosen (s. S. 8). Die Pinocytose132 ist ein Spezialfall der Endocytose, bei der sehr große Moleküle (z. B. Proteine), die die Zellmembran weder durch Diffusion noch durch einen aktiven Transport überwinden können, in die Zellen transportiert werden. Pinocytotischer Bläschen-Transport geht so vonstatten, daß die Zellmembran an der Außenseite, wo der zu transportierende Stoff in Lösung anliegt, ein Tröpfchen bestimmter Größe umfaßt, also ein Bläschen bildet, und den gelösten Stoff mitsamt der aus dem Plasmalemm abgeschnürten Bläschenhülle in das Zellinnere schafft, wo die Bläschenhülle wieder aufgelöst wird. Werden pinocytotisch aufgenommene Partikel unverändert in der Membranhülle auf der anderen Seite der Zelle wieder abgegeben, spricht man von Cytopempsis133. Die Aufnahme größerer Partikel geht im Prinzip wie die Pinocytose vor sich, wird jedoch als Phagocytose134 bezeichnet. Hierbei können organische Partikel, z. B. Bakterien, aufgenommen und mit Hilfe der Lysosomen (s. S. 13) enzymatisch abgebaut werden. Die Bildung von Vesikeln setzt meist das Vorhandensein von Clathrin voraus. Dies ist ein Protein, das in die Vesikelmembran eingebaut wird. Die in Bläschen (Vesikel) gelegenen Abbauprodukte können entweder aus der Zelle ausgeschleust werden oder als Restkörper (residual bodies) in der Zelle liegen bleiben. Abbauprodukte von Lipoproteinen können als Lipofuscingranula in den Zellen, besonders in Herzmuskel- und Nervenzellen, nachweisbar werden. Auch nicht verdauliche Substanzen, z. B. Kohlenstaub in der Lunge, Tusche in der Haut (Tätowierung), bleiben in den Phagocyten liegen, sie werden gespeichert.

131 132 133 134

zu vesícula (lat.) – das Bläschen. pínein (gr.) – trinken; k ytos ´ (gr.) – die Zelle. pémpein (gr.) – schicken, senden. phágein (gr.) – essen.

59

60

Grundlagen

1.3 Biochemische Grundlagen

Tab. 1/1: Chemische Zusammensetzung des menschlichen Körpers (Gewichtsprozent) bzw. ungefährer Anteil bei einem angenommenen Körpergewicht um 70 kg.

1.3.1

Wasser Proteine Lipide Kohlenhydrate Nucleinsäurem Mineralstoffe

Molekulare Bausteine der Zelle

Bauplan, Struktur, Form und Funktion der Zellen und des gesamten Organismus werden durch die physikalischen und chemischen Eigenschaften der am Aufbau der Zellbestandteile beteiligten Substanzen bestimmt. Den weitaus größten Anteil an der chemischen Zusammensetzung der Zell-Trockenmasse haben Proteine135 (Eiweiße), Nucleinsäuren136, Polysaccharide137 (Kohlenhydrate, Zucker) und Lipide138 (Fettstoffe). Charakteristisch an der chemischen Zusammensetzung dieser makromolekularen Substanzen ist der Aufbau aus relativ wenigen Grundbausteinen, der durch geeignete Variation die Bildung einer sehr großen Zahl verschiedenartiger Einzelmoleküle mit spezifischen chemischen Eigenschaften erlaubt. So besteht die sehr vielfältige Klasse der Proteine aus insgesamt 20 verschiedenen Einzelbausteinen, den Aminosäuren, die durch kettenförmige Aneinanderreihung in unterschiedlicher Reihenfolge völlig verschiedenartige Makromoleküle bilden. Die Nucleinsäuren bestehen aus vier verschiedenen Einzelbausteinen, deren Reihenfolge die Eigenschaften dieser Moleküle bestimmt. Entsprechendes gilt für die Polysaccharide und die Lipide. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit zum Aufbau von Molekülen mit spezifischen StrukturEigenschaften und spezifischen Funktionen. Zusätzlich enthält die Zelle entsprechend ihren jeweiligen Aufgaben eine große Zahl von niedermolekularen Verbindungen, die als Zwischenprodukte des intrazellulären Stoffwechsels an Syntheseprozessen oder bei der Gewinnung zellulärer Energie beteiligt sind, sowie anorganische Verbindungen wie Metallsalze, Phosphate, Sulfate etc. (s. Tab. 1/1).

135 136 137 138 139

próteros (gr.) – erster. nucleus (lat.) – (Nuß-)Kern. pol ys ´ (gr.) – viele; saccharum (sanskr.) – Zucker. lípos (gr.) – Fett. olígos (gr.) – klein, wenig.

1.3.1.1

60 % 20 % 15 % 1% 1% 5%

42 14 10,5 0,7 0,7 3,5

kg kg kg kg kg kg

Proteine und Aminosäuren

Den Hauptanteil der Trockensubstanz der meisten Zellen bilden die Proteine. Sie sind Makromoleküle mit einem Molekulargewicht zwischen 15 000 und 1 000 000 Dalton129. Aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften können Proteine entweder als wasserlösliche Komponenten intra- und extrazellulärer Flüssigkeiten Funktionen als Biokatalysatoren (Enzyme), bei der Bindung niedermolekularer Verbindungen (Transportproteine), bei der Übermittlung interzellulärer Signale (Hormone), bei der Abwehr von Infektionen (Antikörper) etc. wahrnehmen. Unlösliche Proteine können als Faser- oder Stützproteine am Aufbau von Strukturen beteiligt sein (Haare, Horn, Muskelfasern), sie können in Membranen eingebaut werden oder im Bindegewebe die Fasern ausbilden. Alle Proteine sind aus den in Abb. 1/27 gezeigten 20 verschiedenen Aminosäuren aufgebaut, die in unterschiedlichen Mengenverhältnissen und in unterschiedlicher Reihenfolge als Kette aneinandergereiht sind. Allen Aminosäuren ist als Strukturelement gemeinsam eine Carboxylgruppe (-COOH) und am der Carboxylgruppe benachbarten Kohlenstoffatom (α-Kohlenstoffatom) eine Aminogruppe (-NH2). Die Carboxylgruppe einer Aminosäure kann mit der Aminogruppe einer anderen Aminosäure unter Wasserabspaltung eine „Peptidbindung“ eingehen. Es entsteht hierbei ein Dipeptid. Werden weitere Aminosäuren in analoger Weise gebunden, entstehen Tripeptide, Tetrapeptide usw. Kleinere Ketten dieser Art bezeichnet man als Oligopeptide139, größere Ketten als Polypeptide137. Ein Protein besteht aus einer oder mehreren Ketten von Peptidbindungen der unterschiedlichen Aminosäuren.

Biochemische Grundlagen 61

Abb. 1/27: Die in Proteinen enthaltenen Aminosäuren.

Die besonderen Eigenschaften der Peptidbindung bedingen, daß die Beweglichkeit der an der Bindung beteiligten Atome eingeschränkt ist. Dies hat zur Folge, daß sich die Peptidkette nicht als wirres Knäuel, sondern in regelmäßigen Strukturen anordnet. Man nennt die Reihenfolge, in der die Aminosäuren in einem Proteinmolekül gebunden sind, die Primärstruktur, die räumliche Anordnung der Kette die Sekundär- und Tertiär-Struktur. Häufig sind auch mehrere Proteinketten zu einem Molekülverbund zusammengelagert, man nennt dies Quartärstruktur.

Durch Erhitzen oder durch Säuren wird die Raumstruktur der Proteine zerstört, sie werden „denaturiert“, ohne daß sich hierdurch die Peptidbindungen lösen. Da denaturierte Proteine leichter verdaut werden können, wird die Nahrung durch Kochen und durch die Magensäuren „aufgeschlossen“.

Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur eines Proteinmoleküls werden durch die spezifischen Eigenschaften der einzelnen Aminosäuren bestimmt. Diese bestimmen auch die Eigenschaften des gesamten Moleküls. Eine wesentliche Eigenschaft der Aminosäuren ist ihre unterschiedliche Löslichkeit in Wasser.

62

Grundlagen

Abb. 1/28: Bilirubin.

Die Aminosäuren Tryptophan, Phenylalanin, Leucin, Isoleucin, Valin enthalten große, wasserabstoßende (hydrophobe 10), die Aminosäuren Glutaminsäure, Asparaginsäure, Serin, Threonin enthalten wasseranziehende (hydrophile 9) Molekülreste. Sind in einem Proteinmolekül sehr viele hydrophobe Aminosäuren nach außen angeordnet, ist das Protein in Wasser unlöslich, sind die hydrophilen Aminosäuren außen angeordnet, ist das Protein löslich. In vielen Fällen ist es durch Anwendung moderner physikalisch-chemischer Verfahren gelungen, die räumliche Anordnung (Konformation) von Proteinmolekülen aufzuklären. Als Beispiel ist in Abb. 4/5, S. 277, die Konformation des Sauerstoffbindenden Hämoglobins aus den roten Blutkörperchen gezeigt. Auffallend ist, daß die Konformation Strukturen erkennen läßt, die die spezifische Bindung niedermolekularer Verbindungen erlaubt. Diese Fähigkeit zur spezifischen Bindung ist eine für ihre biochemische Funktion entscheidende Eigenschaft von Proteinen.

Im Körper werden die Proteine ständig abgebaut und wieder neu synthetisiert. Ein solcher ununterbrochener Stoffwechsel schafft die Voraussetzung für Anpassungsvorgänge, durch die der Organismus auf Änderungen seiner Lebensbedingungen reagieren kann. Es ist daher notwendig, daß für die Neusynthese von Proteinen ständig alle 20 Aminosäuren in genügender Menge vorhanden sind. Nicht alle Aminosäuren können vom menschlichen Organismus synthetisiert werden. Sie müssen mit der Nahrung zugeführt werden (essentielle Aminosäuren), um die durch Stoffwechselprozesse entstehenden Verluste auszugleichen. Der Mensch ist daher auf die Ernährung mit tierischem oder pflanzlichem Eiweiß angewiesen, aus dem er durch Verdauungsprozesse die essentiellen Aminosäuren gewinnen kann.

140

141

marasmos (gr.) – schwach werden; Abnehmen der Lebenskraft. afrikan., wörtlich: roter Knabe; gemeint ist Ernährungsstörung mit Ödemen bei Kindern.

Eine unzureichende Eiweiß-Ernährung führt zu Mangelzuständen, da der Abbau der Körperproteine nicht durch Neusynthese ausgeglichen werden kann. Proteinmangelernährung ist beispielsweise für die in vielen Entwicklungsländern auftretenden Krankheitsbilder des Marasmus140 oder Kwashiorkor141 verantwortlich. Insbesondere die Zellen mit einem hohen Umsatz an Proteinen wie die Darmmucosa und die Bauchspeicheldrüse sind hiervon betroffen. Dadurch kommt es zu Verdauungsstörungen mit Durchfällen, Salzverlust und Wasserverlust, die tödlich verlaufen können.

Neben ihren Funktionen beim Aufbau körpereigener Proteine sowie im Bau- und EnergieStoffwechsel (s. S. 77ff) sind Aminosäuren wichtige Vorstufen für Biosynthesen niedermolekularer Stoffe. Beispiele hierfür sind die Hormone Adrenalin, Noradrenalin (s. S. 722) und Thyroxin (s. S. 711), die aus der Aminosäure Tyrosin entstehen, Melatonin und Serotonin (s. S. 718), die aus Tryptophan gebildet werden, sog. biogene Amine, wie das Histamin (s. S. 703), das ein Abbauprodukt des Histidins ist, sowie komplexere Strukturen wie der rote Blutfarbstoff Häm (s. Abb. 4/5, S. 277) oder dessen Abbauprodukt, der Gallenfarbstoff Bilirubin (s. Abb. 1/28). 1.3.1.2

Lipide

Als Lipide oder fettähnliche Verbindungen bezeichnet man eine Klasse von Naturstoffen, die in ihrer chemischen Struktur und in ihrer Funktion sehr verschiedenartig sein können. Sie haben die Eigenschaft gemeinsam, in Wasser nicht oder nur schwer löslich zu sein, sich dagegen in organischen Lösungsmitteln wie Benzol, Äther, Chloroform oder Aceton gut zu lösen. Die wichtigsten Vertreter der Lipide sind die Fette. Sie haben im Körper als sog. Depotfette insbesondere im Fettgewebe die Funktion, als Reservestoff zu dienen, den der Körper bei Bedarf zur Energiegewinnung oder für Syntheseleistungen abbauen kann. Des weiteren dienen

Biochemische Grundlagen 63

Abb. 1/29: Triglycerid (Neutralfett) und Phosphatidylcholin (Lecithin).

Fette auch als Druckpolster (zum Beispiel sind die Nieren im Fett gelagert) oder der Wärmeisolierung. Chemisch sind Fette Ester der Fettsäuren mit dem Alkohol Glycerin (Abb. 1/29). Bei einem „Neutralfett“ sind drei Fettsäuren an Glycerin gebunden. In den Phospholipiden sind zwei Fettsäuren und ein Molekül Phosphorsäure mit Glycerin verestert. Der Phosphorsäurerest kann noch mit einer Base verbunden sein wie z. B. in den Lecithinen, bei denen die Base Cholin an Phosphorsäure gebunden ist (Abb. 1/29). Die Phospholipide sind wesentliche Komponenten der Cytomembranen. Ihre chemische Struktur entscheidet über deren mechanische Eigenschaften. Für die Festigkeit bzw. Flexibilität einer Lipidmembran entscheidend ist der Anteil von ungesättigten Fettsäuren, d. h. von Fettsäuren, die im Molekül eine oder mehrere Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen haben. Die am häufigsten in der Natur vorkommenden Fettsäuren bestehen aus 16 oder 18 Kohlenstoffatomen, die durch Einfachbindungen miteinander verknüpft sind. Eine Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen bewirkt eine Störung in der symmetrischen Anordnung der Moleküle in der Membran. Je mehr solcher „Störstellen“ in der Membran enthalten sind, umso beweglicher, umso „flüssiger“ wird sie. Werden solche Doppelbindungen durch Oxidationsprozesse gespalten, so wird die Membran mechanisch starrer und dadurch leichter verletzbar. Deshalb verfügt die Zelle über Schutzmechanismen, die solche Oxidationsreaktionen verhindern sollen. Beim Ausfall dieser Schutzmechanismen

142

cholé (gr.) – Galle; stéar (gr.) – Fett.

kann es zu Membranenschäden kommen, die zum Zelltod führen können. Es gibt erblich bedingte Störungen, bei denen diese Schutzmechanismen nicht richtig funktioneren. Dann kann es unter Belastungen wie beispielsweise durch bestimmte Medikamente zu Zellschädigungen kommen. Besonders empfindlich sind die Membranen der roten Blutkörperchen (Erythrocyten). Man kennt Krankheiten, wie z. B. den Favismus, bei denen durch Fehlen Oxidations-hemmender Reaktionen die Lebensdauer der Erythrocyten herabgesetzt ist.

Kompliziert aufgebaute Lipide sind die Ganglioside, die neben wasserunlöslichen Strukturanteilen, wie Fettsäuren und langkettige Alkohole, noch verschiedene Zuckerreste im Molekül enthalten (s. Abb. 1/30). Sie sind Bausteine des Nervensystems und von Zellmembranen. Ein wichtiger Vertreter der Lipide ist das Cholesterin142 (der international gebräuchliche Name ist Cholesterol), das als Bestandteil von Zellmembranen, beim Transport von Fettsäuren im Blut, sowie als Ausgangsstoff für Biosynthesen wichtige Funktionen hat. Das Cholesterin, das im Körper aus einfachen Bausteinen synthetisiert werden kann, ist Vorstufe für die Synthese der Gallensäuren (s. S. 434), der Steroidhormone (s. S. 718), des Vitamin D (s. S. 394) und des DHormons (s. S. 717) (vgl. Abb. 1/31). 1.3.1.3

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind Stoffe, die sich nach der allgemeinen Grundformel Cx(H20)y aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff zusammensetzen. Die Grundeinheiten dieser Verbindungsklasse sind die einfachen Zuckermoleküle oder

64 Grundlagen

Abb. 1/30: Das Gangliosid GM-1.

Monosaccharide143, von denen die wichtigsten Vertreter Glucose144, Galactose 145, Fructose146 und Ribose147 sind. Chemisch sind diese Monosaccharide Alkohole mit 5 oder 6 Kohlenstoffatomen, 4 oder 5 alkoholischen und einer Aldehyd- bzw. Keto- Gruppe. Die einzelnen Vertreter der Monosaccharide (s. Abb. 1/32) unterscheiden sich meist nur in der räumlichen Anordnung dieser „funktionellen“ Gruppen und sind sich daher in ihren chemischen Eigenschaften sehr ähnlich. Dennoch wird in biochemischen Reaktionen sehr spezifisch unterschieden, welches Zuckermolekül bei bestimmten Reaktionen umgesetzt wird. Zusammengesetzte Kohlenhydrate oder Oligosaccharide139 sind ebenfalls als Zuckermoleküle von Bedeutung, wie etwa der Rohrzucker (Saccharose), der aus Glucose und Fructose zusammengesetzt ist, oder der Milchzucker (Lactose), der aus Glucose und Galactose besteht. Hochmolekulare Kohlenhydrate oder Polysaccharide137 bestehen aus zu langen Ketten zusammengelagerten Monosaccharideinheiten. 143 144 145 146 147

mónos (gr.) – allein, einzig; saccharum s. 132. glyk ys ´ (gr.) – süß. gala (gr.) – Milch. fructus (lat.) – Frucht. Ribose ist ein Kunstwort.

Das wichtigste Polysaccharid im Körper ist das Glykogen. Es besteht aus Glucose-Einheiten, die in vielfach verzweigten Ketten zu Molekülen mit sehr hohem Molekulargewicht (1-5 x 10 6 Dalton) verbunden sind. Glykogen ist vor allem in der Leber und im Muskel enthalten und dient dort als enzymatisch leicht spaltbare Glucosereserve, die bei Bedarf rasch für den Energiestoffwechsel verfügbar gemacht werden kann. Mit dem Glykogen im chemischen Aufbau sehr verwandt ist das pflanzliche Polysaccharid Stärke, das als Glucosequelle in der Ernährung eine wichtige Rolle spielt. Es kann im Darm in Glucose gespalten werden. Ein ebenfalls aus Glucose aufgebautes pflanzliches Polysaccharid ist die Cellulose. Sie kommt im Körper des Menschen nicht vor, in Pflanzen dient sie vor allem als Stützsubstanz zur Aufrechterhaltung der spezifischen Strukturen wie Blätter, Stengel etc. Die Bindungen, mit denen die Glucoseeinheiten zusammengehalten werden, sind in Stärke und Cellulose verschieden. Da der Mensch keine Verdauungs-Enzyme hat, die Cellulose spalten können, ist diese für die Ernährung lediglich Ballaststoff. Im Körper sind Oligosaccharide und Polysaccharide häufig in Verbindung mit Proteinen oder Lipiden Bestandteile von zellulären Strukturen oder auch von Enzymen und anderen löslichen funktionellen Proteinen. Als Beispiel seien hier die

Biochemische Grundlagen 65

Abb. 1/31: Steroid-Hormone und Gallensäuren als Abkömmlinge des Cholesterins (Cholesterols). Ganglioside genannt, die Verbindungen zwischen Lipiden (s. dort) und Oligosacchariden sind, sowie die Blutgruppenmerkmale, die teilweise Oligosaccharid-Einheiten darstellen, die an Proteine der Zelloberfläche gebunden sind.

Bedeutung der Kohlenhydrate im Stoffwechsel. Glucose ist für viele Zellen bzw. Organe des Körpers unverzichtbare Nahrungsquelle für den Energie- und für den Synthesestoffwechsel.

Insbesondere das Gehirn und die roten Blutkörperchen können andere Energiequellen nicht oder nur unvollkommen nutzen. Auch in den Muskelzellen dient Glucose, insbesondere bei intensiver Arbeitsleistung, als wichtigste Energiequelle. Die Zellen des Muskels und der Leber enthalten deshalb als Kohlenhydratreserve das Polysaccharid Glykogen, aus dem durch enzymatische Prozesse bei Bedarf rasch Gluco-

Abb. 1/32: Die wichtigsten in der Natur vorkommenden Monosaccharide in der „offenen“ Schreibweise.

66

Grundlagen

Abb. 1/33: Nucleoside und Desoxynucleoside. Die Buchstaben A, G bzw. C, T, U bezeichnen die Purinbasen Adenin und Guanin bzw. die Pyrimidinbasen Cytosin, Thymin und Uracil. In den Desoxynucleosiden ist anstelle der Ribose Desoxyribose als Zuckermolekül an die Base gebunden. Ebenso wie im Adenosintriphosphat (ATP) sind in den anderen Nucleosidphosphaten ein oder mehrere Phosphatgruppen an den Zuckerrest gebunden.

se abgespalten und dem Stoffwechsel verfügbar gemacht werden kann. Im Blut muß zur Versorgung der Organe und des Gehirns ständig eine konstante Konzentration der Glucose aufrechterhalten werden. Dies geschieht, wenn nicht genügend Glucose mit der Nahrung aufgenommen wird, dadurch, daß zunächst das in der Leber gespeicherte Glykogen in Glucose gespalten wird, die an das Blut abgegeben werden kann. Bei länger dauerndem Kohlenhydratmangel kann Glucose in der Leber aus Aminosäuren synthetisiert werden. Diese können entweder aus mit der Nahrung aufgenommenem Eiweiß oder durch Abbau von Körperproteinen, insbesondere von Muskelproteinen, gewonnen werden. Fructose, Galactose und Ribose können mit der Nahrung aufgenommen oder im Körper aus Glucose gebildet werden. Sie sind insbesondere wichtig als Strukturbestandteile von Oligo- und Polysacchariden.

1.3.1.4

Nucleinsäuren und Nucleotide

Ebenso wie die Proteine sind die Nucleinsäuren kettenförmig aufgebaute Makromoleküle (Polynucleotide) mit Molekulargewichten bis zu 109 Dalton, die in gestrecktem Zustand bis zu mehreren Zentimetern lang sein können. Sie werden durch Aneinanderreihung einzelner Bauelemente gebildet, die jeweils aus einer der Basen Adenin, Guanin, Cytosin, Uracil oder Thymin (s. Abb. 1/33), einem Zuckerrest und einer Phosphorsäuregruppe bestehen. Als Zukkerrest ist entweder Ribose oder Desoxyribose im Nucleinsäuremolekül enthalten, daher werden die Nucleinsäuren als Desoxyribonucleinsäure (abgekürzt DNA; A steht für acid, engl. Säure) oder als Ribonucleinsäure (abgekürzt RNA) bezeichnet. Die einzelnen Bauteile werden über die Phosphorsäuregruppe derart miteinander verbunden, daß jeweils die am 3. bzw. 5. Kohlenstoffatom stehende Hydroxylgruppe der Zuckermoleküle eine Esterbindung mit der Phosphorsäure eingeht. In der DNA sind die

Biochemische Grundlagen 67

Abb. 1/34: „Wasserstoffbrücken“ zwischen Purin- und Pyrimidinbasen in der DNA. Der „Strang“ aus Phosphat- und Zuckerresten ist durch Balken dargestellt (s. Abb. 1/34), die Bezeichnung 3' bzw. 5' gibt an, an welchem Kohlenstoffatom der Desoxyribose die Kette endet.

Purinbasen Adenin, Guanin und die Pyrimidinbasen Cytosin und Thymin enthalten, die RNA enthält anstelle von Thymin die Base Uracil. Die Reihenfolge, in der die einzelnen Nucleoside (s. Abb. 1/33) aneinandergereiht sind, bestimmt die biologischen Eigenschaften des Gesamtmoleküls. Wesentlich für die Aufrechterhaltung einer definierten räumlichen Struktur, vergleichbar der Sekundär- und Tertiärstruktur von Proteinen, ist die Fähigkeit der in den Nucleinsäuren enthaltenen Basen, sich durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken (s. Abb. 1/34) aneinanderzulagern. Hierbei lagern sich jeweils eine Purinbase und eine Pyrimidinbase zusammen. Die DNA bildet einen Doppelstrang aus zwei spiralförmig miteinander verwickelten Polynucleotid-Einzelsträngen. Diese Anordnung als Doppelhelix 71 wurde von den englischen Biochemikern J. D. WATSON, F. H. C. CRICK und dem Physiker M. WILKINS 1953 als Ergebnis von Kristallstruktur-Untersuchungen und anhand von Strukturmodellen, die eine optimale Ausbildung von Wasserstoffbrücken erlauben, postuliert. Die Polynucleotid-Doppel-Stränge bilden extrem lange Makromoleküle, die bei ColiBakterien aus mehr als 4 Millionen Basenpaaren,

148 149

transfer (engl.) – Übertragung. messenger (engl.) – Bote.

bei höheren Organismen aus noch erheblich größeren Einheiten bestehen. Die chemische Struktur, insbesondere die Reihenfolge der einzelnen Nucleotid-Basen, enthält die Information für die Ausprägung und Weitergabe der Erbanlagen für jedes Individuum einer bestimmten Art. Die Mechanismen, nach denen diese Erbinformation ausgeprägt wird, werden auf S. 70 beschrieben. Auch die RNA-Moleküle werden durch ähnliche Bindungskräfte zwischen den einzelnen Molekülteilen, wie sie für DNA beschrieben wurden, in einer definierten räumlichen Struktur gehalten. Sie bilden jedoch keine der DNA vergleichbaren Doppelstrang-Moleküle. Entsprechend ihrer unterschiedlichen Funktion in der Zelle lassen sich die Ribonucleinsäuren in verschiedene Klassen einteilen, die sich unter anderem sehr charakteristisch in der Molekülgröße unterscheiden. Insgesamt sind die RNA-Moleküle kleiner als die DNA-Moleküle. Die Transfer148-Ribonucleinsäuren (tRNA) haben ein relativ niedriges Molekulargewicht zwischen 20 000 und 30 000 Dalton. Sie haben bei der Proteinbiosynthese die wichtige Funktion, die einzelnen Aminosäuren zu binden und reaktionsbereit zu machen, sowie aufgrund ihrer molekularen Struktur die Reihenfolge zu bestimmen, in der die einzelnen Aminosäuren bei der Proteinsynthese miteinander verknüpft werden. Ein mittleres Molekulargewicht zwischen 25 000 und 100 000 Dalton haben die „messenger“149Ribonucleinsäuren (mRNA), die die Übermittlung und Übersetzung der in der DNA enthaltenen genetischen Information in die Biosynthese eines definierten Proteinmoleküls bewirken. Jedes mRNA-Molekül stellt in der Regel eine Art von Negativ-Umsetzung eines einzelnen Gens dar, das die Biosynthese eines Proteinmoleküls bestimmt. Die größten RNA-Moleküle sind die ribosomalen Ribonucleinsäuren (rRNA) mit Molekulargewichten zwischen 35 000 und 1 200 000 Dalton. Sie bilden zusammen mit spezifischen Proteinen große Molekül-Aggregate, die Ribosomen (s. S. 10), an denen die Reaktionen der Proteinbiosynthese stattfinden. Die Bausteine der Nucleinsäuren, die Nucleoside bzw. deren Abkömmlinge, haben wichtige Funktionen im intrazellulären Stoffwechsel. In den Ribonucleinsäuren sind die Bausteine als Nucleosid-Monophosphate der allgemeinen Zusammensetzung Base-Ribose-Phosphorsäure miteinander verknüpft. Entsprechend der in ihnen enthaltenen Base werden sie als Adenosin-

68

Grundlagen

monophosphat (AMP), Guanosinmonophosphat (GMP), Cytidinmonophosphat (CMP) und Uridinmonophosphat (UMP) bezeichnet. Die Phosphorsäure-Gruppe ist in den NucleosidMonophosphaten als Phosphorsäureester mit dem Ribose-Rest verbunden. Bei vielen wichtigen biochemischen Reaktionen sind Nucleosid-Diphosphate oder Nucleosid-Triphosphate beteiligt. Hier sind ein oder zwei zusätzliche Phosphorsäure-Gruppen als Säureanhydrid mit der ersten Phosphorsäure verbunden (s. Abb. 1/33). Die Nucleosid-Diphosphate und -Triphosphate werden in Analogie zur Nomenklatur für die Monophosphate als ADP bzw. ATP, GDP bzw. GTP, UDP bzw. UTP und CDP bzw. CTP bezeichnet. Das wichtigste NucleosidTriphosphat ist das ATP (Abb. 1/33). Es ist Überträger von Phosphatgruppen sowie Überträger der aus chemischen Prozessen in der Zelle gewonnenen Energie. Bei einer Vielzahl biosynthetischer Reaktionen sowie bei der Umwandlung von chemischer in mechanische und elektrische Energie ist ATP als Energiespender beteiligt. Bei diesen Reaktionen wird ATP zu ADP oder auch zu AMP umgesetzt. Die Neusynthese von ATP aus ADP findet zum überwiegenden Teil gekoppelt mit Oxidationsreaktionen in den Mitochondrien fast aller Körperzellen statt (s. S. 78). Eine weitere Möglichkeit zur Biosynthese von ATP aus ADP ist der nicht oxidative Abbau von Glucose zu Milchsäure. Dies ist der Grund, warum manche Körperzellen auf die stetige Verfügbarkeit von Glucose (Blutzucker) angewiesen sind. Ein Leben ohne ATP ist nicht möglich, eine Zelle, deren ATP durch chemische Prozesse verbraucht ist, stirbt innerhalb weniger Sekunden ab. Die Suche nach ATP wurde deshalb unter anderem in Weltraum-Experimenten zum Nachweis extraterrestrischen Lebens eingesetzt.

Auch die anderen Nucleosid-Triphosphate sind sogenannte „energiereiche“ Verbindungen, die bei einer Reihe von biosynthetischen Reaktionen an der „Aktivierung“ der chemischen Ausgangsprodukte beteiligt sind. Die bei diesen Reaktionen gebildeten Nucleosid-Monophosphate oder -Diphosphate werden in der Regel mit Hilfe von ATP wieder in die Triphosphate umgewandelt. Die Desoxyribonucleotide sind als NucleosidTriphosphate insbesondere für die Biosynthese der DNA erforderlich. Sie werden aus den Ribonucleosid-Diphosphaten ADP, GDP und CDP gebildet durch Reduktion der Hydroxylgruppe, die am 2. Kohlenstoffatom des Riboserestes steht. Die Base Uracil ist in den Desoxyribo-

nucleinsäuren nicht enthalten. Statt dessen wird die Base Thymin aus Desoxyuridin-Monophosphat in einer aus mehreren Schritten bestehenden Reaktionsfolge als Desoxy-Thymidin-Monophosphat synthetisiert. Die Desoxyribonucleosid-Diphosphate werden durch Übertragung je einer Phosphatgruppe aus ATP zu den Desoxyribonucleosid-Triphosphaten umgewandelt, die die Ausgangsprodukte für die DNA-Synthese sind. 1.3.1.5

Mineralstoffe

Anorganische Stoffe kommen sowohl innerhalb wie auch außerhalb der Zellen vor. Die Verteilung dieser Stoffe ist nicht gleichmäßig. Innerhalb der Zellen ist die Konzentration von Kalium, Magnesium und Phosphat beträchtlich größer als im extrazellulären Raum. Dagegen ist im Extrazellularraum die Konzentration von Natrium und von Bicarbonat höher. Anorganisches Material dient als Baustoff wie Calciumphosphat für die Knochen oder Calciumfluorid für den Zahnschmelz. Calciumionen sind außerdem an der Steuerung einer Vielzahl biochemischer und physiologischer Funktionen des Körpers beteiligt. Als Beispiele seien hier die Muskelkontraktion und die Blutgerinnung genannt. Eisen ist unter anderem wesentlicher Bestandteil des roten Blutfarbstoffs, des Muskelproteins Myoglobin (s. S. 279) sowie einer Reihe von Enzymen, insbesondere der des Atmungsstoffwechsels (s. S. 78). Kupfer, Zink und Magnesium sind ebenfalls wichtige Bestandteile vieler Enzyme. Als sogenannte Spurenelemente sind unter anderem Molybdän, Vanadium, Cobalt und Selen in einzelnen Proteinen, Enzymen und Coenzymen enthalten. Als Salze haben die gelösten anorganischen Stoffe wichtige Funktionen für den Wasserhaushalt und für die elektrischen Potentiale an den Zellmembranen.

1.3.2

Biosynthese der Nucleinsäuren

DNA-Synthese. Eine der Grundvoraussetzungen für die Erhaltung des Lebens ist die Fähigkeit der DNA, ihre identische Selbstreduplikation, d. h. die Neusynthese eines DNA-Moleküls von exakt gleichem chemischen Aufbau, zu ermöglichen. Diese Fähigkeit ist die Grundlage dessen, was wir unter Vererbung verstehen.

Biochemische Grundlagen 69

Abb. 1/35: DNA-Doppelhelix. Die Buchstaben A, G und C, T bezeichnen die Basen Adenin, Guanin und Cytosin, Thymin, die durch Wasserstoffbrücken (Abb. 1/34) verbunden sind. P und D bezeichnen das durch Phosphat- und Desoxyribosereste gebildete Grundgerüst. Rechts ist ein Teilstück eines Einzelstranges dargestellt.

Sie ist die Voraussetzung dafür, daß die biologischen Eigenschaften einer Zelle oder eines kompletten Organismus bei der Zellteilung erhalten bleiben. Die identische Verdoppelung der DNA wird dadurch ermöglicht, daß das zu einer Spirale verwundene und über Wasserstoffbrücken zusammengehaltene Doppelmolekül (s. Abb. 1/35) entwunden wird und sich an die entstehenden Einzelstränge Nucleosid-Triphosphate durch Ausbildung neuer Wasserstoffbrücken anlagern. Da sich hier wiederum nur jeweils Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin paaren, entsteht ein dem Einzelstrang entsprechender neuer Strang dadurch, daß durch das Enzym DNAPolymerase von den Nucleotiden Pyrophosphat abgespalten und die verbleibenden Molekülreste miteinander verbunden werden. Ebenso wie in der „Eltern-DNA“ entsteht hierdurch allmählich ein Tochtermolekül aus zwei gegenläufig parallel aneinandergelagerten DNA-Strängen. In der sehr langen und kompliziert strukturierten DNA höherer Organismen findet diese Replication150 an verschiedenen Stellen des Moleküls gleichzeitig statt und breitet sich nach beiden Seiten solange aus, bis die gesamte DNA verdoppelt ist. Früher glaubte man, daß die Chromosomen (s. S. 82) aus vielen DNA-Molekülen aufgebaut sind. Nachdem jedoch die Techniken der DNA-Isolierung derart verfeinert wur-

150

replicare (lat.) – wieder auseinanderfalten; zu plica (lat.) – Falte.

den, daß ein Zerfall der Riesenmoleküle bei der Isolierung vermieden werden konnte, zeigte sich, daß die DNA des Bakteriums Escherichia coli aus einem einzigen DNAMolekül mit mehr als vier Millionen Basenpaaren besteht. Auch von den Chromosomen höherer Organismen nimmt man heute an, daß sie aus jeweils einem einzigen DNAMolekül bestehen, das zusammen mit Proteinen und kleineren Nucleinsäuren eine komplexe Struktur bildet. Seit einigen Jahren ist es möglich, Teile eines DNA-Stranges synthetisch herzustellen. Mit den für die Replication erfor-

70

Grundlagen

derlichen Enzymen läßt sich ein Komplementärstrang synthetisieren und so ein Stück eines DNA-Moleküls abbilden. Im Prinzip ist es möglich, nach dieser Methode ganze Gene (s. S. 85) bzw. spezifisch abgewandelte Gene künstlich zu erzeugen.

RNA-Synthese. Für die Synthese der verschiedenen RNA-Moleküle dient die DNA als Vorlage, als Matrize. Auch für die RNA-Synthese muß die DNA zunächst entspiralisiert und zumindest teilweise in ihre Einzelstränge gespalten werden. Analog dem für die DNA-Synthese beschriebenen Vorgang werden die Ribonucleosid-Triphosphate durch Wasserstoffbrükken an die jeweils entsprechenden Basen angelagert. Durch Enzyme (RNA-Polymerasen) wird dann die Bindung der einzelnen Bausteine durch Abspaltung von zwei Phosphatgruppen als Pyrophosphat und Knüpfung einer Esterbindung zwischen der noch verbleibenden Phosphatgruppe und der in Stellung 3 stehenden Hydroxylgruppe der Ribose hergestellt. Für die Weitergabe der genetischen Information, die in der Basensequenz der DNA liegt, ist entscheidend, daß sich die Basen jeweils spezifisch aneinanderlagern. So paart die Base Adenin (A) nur mit Thymin (T) bzw. Uracil (U) und Guanin (G) nur mit Cytosin (C). Demnach bestimmt die Sequenz, in der die Basen A, G, C, T in der DNA vorliegen, die Sequenz 151, mit der in der RNA die Basen U, C, G, A aneinandergereiht werden (die Base Thymin kommt in RNA-Molekülen nicht vor). Die hohe Spezifität, mit der die Basensequenz der DNA in eine komplementäre Basensequenz der RNA „umgeschrieben“ wird (man nennt diesen Vorgang Transcription152), ist die Voraussetzung für eine genaue Ablesung des „genetischen Code“.

1.3.3

Genetischer Code und Biosynthese der Proteine

Den heutigen Vorstellungen über die molekularen Grundlagen der Vererbung liegt das „zentrale Dogma der Molekularbiologie“ zugrunde, das besagt, daß die in der Reihenfolge der Basen in der DNA liegende Information im Zellkern „umgeschrieben“ wird in RNA-Moleküle 151 152

sequentia (lat.) – Folge. trans (lat.) – hinüber; scribere (lat.) – schreiben.

mit komplementärer Basensequenz. Diese RNAMoleküle verlassen den Zellkern und steuern die Proteinbiosynthese derart, daß ein Protein mit einer genau definierten Reihenfolge der Aminosäuren entsteht. Die Vorstellung, daß durch die Sequenz DNA → mRNA → Protein alle Vorgänge der Vererbung beschrieben sind, beruht auf einer Reihe von Annahmen, die heute experimentell gesichert sind: 1. Alle vererbbaren biochemischen und physiologischen Eigenschaften eines Organismus beruhen auf der Wirkung spezifischer Proteine, die als Katalysatoren für chemische Umsetzungen (Enzyme), als Vermittler von Transport und Signalübertragungsvorgängen an Zellmembranen, bei der Aufrechterhaltung intrazellularer und interzellulärer Strukturen und auf vielfältige andere Weise die individuellen Merkmale einzelner Zellen wie auch ganzer Organe und damit des ganzen Körpers bestimmen. 2. Die chemischen Eigenschaften und damit die Funktionen eines Proteinmoleküls werden alleine durch die Reihenfolge bestimmt, in der die einzelnen Aminosäuren aneinander gebunden sind. 3. Die in der DNA vorliegende Sequenz der Basen wird fehlerfrei und eindeutig in eine spezifische Sequenz der Aminosäuren in Proteinen übersetzt. Die Entdeckung der Spezifität der Basenpaarung (s. S. 67) und damit der Spezifität der Nucleinsäure-Biosynthese ergab den Schlüssel für die molekulare Erklärung der Vererbung. Durch Transcription eines definierten Abschnittes der DNA unter Bildung von messenger-RNA149 wird die genetische Information überschrieben. Die mRNA gelangt vom Zellkern über das Cytosol der Zelle an die Ribosomen (s. S. 10), die aus Ribonucleinsäuren und Proteinen bestehen. Die Ribosomen enthalten die für die Biosynthese von Proteinen erforderlichen Enzyme. Die sogenannten ribosomalen Ribonucleinsäuren (rRNA) werden ebenfalls im Zellkern durch Transcription bestimmter DNA-Abschnitte gebildet. Eine andere Gruppe von Ribonucleinsäuren, die transfer-RNAs (tRNA), dienen dazu, den mit spezifischen Einbau einzelner Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge sicherzustellen. Die Transfer-Ribonucleinsäuren werden mit Amino-

Biochemische Grundlagen 71

säuren verbunden in einer Reaktion, bei der ATP in AMP und Pyrophosphat gespalten wird. Bei dieser Reaktion wird jeweils eine für eine bestimmte Aminosäure spezifische tRNA eingesetzt; diese Spezifität ist die entscheidende Voraussetzung dafür, daß eine fehlerfreie Proteinsynthese stattfinden kann. Jede tRNA hat eine spezifische Erkennungssequenz, mit der sie sich an eine komplementäre Sequenz der mRNA anlagern kann. Diese Sequenz besteht aus drei Nucleotiden. Es konnte gezeigt werden, daß für jede Aminosäure eine (oder mehrere) aus drei Nucleotiden bestehende Sequenz in der mRNA den Code für die Anlagerung der tRNA darstellt. In den Jahren 1964-1966 wurde dieser Code entschlüsselt, so daß heute für jede Aminosäure die entsprechende(n) Dreiersequenz(en) bekannt ist (sind). Da aus vier verschiedenen Bausteinen (den Basen in den Nucleinsäuren) insgesamt 64 (43) verschiedene Kombinationen denkbar sind, jedoch nur 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen vorkommen, ergibt sich, daß für einzelne Aminosäuren mehr als eine Dreiersequenz als Code fungieren kann. Bemerkenswert ist, daß dieser Code universell, d. h. für alle Lebewesen fast einheitlich ist. An den Ribosomen lagern sich an die mRNA in der dem genetischen Code entsprechenden Reihenfolge die an Aminosäuren gebundenen tRNA an. Dann werden die Aminosäuren enzymatisch von der tRNA abgespalten und durch eine Peptidbindung miteinander verknüpft (s. Abb. 1/41 und 1/42, S. 86). Der Code der Nucleinsäure-Sequenz wird hierdurch in eine entsprechende Aminosäuresequenz „übersetzt“. Man nennt diesen Teil der Proteinbiosynthese Translation153. Die Reihenfolge der Nucleotide auf der DNA enthält darüberhinaus noch die Information, wo die Biosynthese einer mRNA beginnt und wo sie endet, d. h., wie lange die synthetisierte Aminosäuresequenz, das entstehende Polypeptid werden soll. Im Zellkern liegt die DNA nicht in freier Form vor, sondern sie ist dort an Proteine gebunden. Diese Proteine haben unter anderem die Aufgabe, zu entscheiden, ob ein in der DNA enthaltenes Gen (s. unten) „abgelesen“ wird oder

153 154 155

translatio (lat.) – Übertragung, Übersetzung. inducere (lat.) – hineinführen. reprimere (lat.) – zurückdrängen.

nicht. Der Körper enthält in seinen verschiedenen Organen eine Vielzahl von Zellen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen. Dennoch sind diese Zellen unterschiedlichen Typs aus einer einzigen Zelle, der Zygote, entstanden. Diese muß die gesamte genetische Information für alle Körperzellen enthalten. Im Laufe der Entwicklung der einzelnen Organe und der hierbei ablaufenden Differenzierung der Zellen werden sehr viele Gene „inaktiv“, ihre Information wird nicht abgelesen (exprimiert), andere in der Zygote inaktive Gene werden erst in der differenzierten Zelle exprimiert. Es konnte gezeigt werden, daß in der differenzierten Zelle die genetische Information der Zygote im Prinzip noch erhalten ist. Sie wird deshalb nicht exprimiert, weil eine Reihe von Genen durch angelagerte Proteine blockiert sind. Eine wichtige Rolle bei der „Verpackung“ der DNA im Chromatin und bei der Steuerung der Genaktivität spielen die Histone, eine Gruppe von Proteinen, die an die DNA in einem stabilen Komplex, zu sog. Nucleosomen, gebunden sind (s. S. 26). Man kennt die Mechanismen noch nicht im einzelnen, nach denen im Laufe der Differenzierung einer Zelle diese spezifische Inaktivierung bzw. Aktivierung einzelner Gene erreicht wird. Wenn in einer Körperzelle die Blokkade einzelner Gene ganz oder teilweise beseitigt wird, kann eine „Entdifferenzierung“, d. h. eine Rückentwicklung im Sinne einer „Embryonalisierung“ von Zellen erreicht werden. Derartige Vorgänge spielen eine wichtige Rolle sowohl bei der Steuerung bestimmter Zellen bzw. Organe durch Hormone als auch bei der „Entartung“ von Körperzellen zu Krebszellen. Für die Regulation des Zell-Stoffwechsels ist entscheidend, daß die Geschwindigkeit der Transcription (Synthese von mRNA) modifiziert werden kann. Durch Zwischenprodukte des Zellstoffwechsels, durch Hormone oder durch Signalübertragungen zwischen einzelnen Zellen kann auf diese Weise die Bildung einzelner Proteine gesteuert und dem Bedarf angepaßt werden. Man nennt die Steigerung der Transcriptionsrate auch Induktion154, die Hemmung der Transcription Repression155. Durch Induktion und Repression erhält die Zelle unter anderem die Fähigkeit, sich an Veränderungen der Lebensbedingungen anzupassen und ihre Stoffwechselleistungen optimal aufeinander abzustimmen. Die Kenntnisse über den Verlauf der Reaktionen bei der Protein-Biosynthese erlauben eine Beschreibung genetischer Gesetzmäßigkeiten auf molekularer Basis.

72

Grundlagen

In der molekulargenetischen Definition ist ein Gen ein spezifischer Abschnitt auf der DNA, der die Information für die Biosynthese eines Polypeptid-Moleküls codiert. Dieses Polypeptid-Molekül kann entweder alleine, oder in Verbindung mit anderen Polypeptiden bzw. Proteinen, die Ausprägung einer biochemischen Eigenschaft, eines bestimmten Phänotyps (s. S. 82) bewirken. Diese biochemische Eigenschaft kann zu bestimmten sichtbaren Merkmalen (Farbe, Körperbau) des Organismus führen. Aber auch sehr komplexe Unterschiede zwischen einzelnen Individuen (Anfälligkeit gegen bestimmte Krankheiten, Charaktereigenschaften etc.) können im Prinzip durch molekulargenetische Mechanismen erklärt werden. Heute ist es möglich, einzelne Abschnitte der DNA durch enzymatische Spaltung aus dem Molekül herauszulösen und in die DNA anderer Organismen „einzubauen“. Diese Methoden der modernen „Gentechnologie“ haben, neben ihrer Bedeutung für die biotechnologische Produktion von Naturstoffen, unsere Kenntnisse über die biochemischen Grundlagen der Vererbung erheblich erweitert. Versuche, durch derartige Manipulationen neue Organismen mit neuen vererbbaren Eigenschaften „herzustellen“, wurden bei Mikroorganismen und Nutzpflanzen mit Erfolg durchgeführt. Die Anwendung dieser Verfahren auf den Menschen zur Heilung von Erbkrankheiten steht heute noch vor sehr vielen prinzipiellen Schwierigkeiten, da die Übertragung von Genen auf andere Zellen nur mit einer sehr niedrigen Erfolgsquote gelingt, so daß es nicht möglich ist, eine gewünschte Eigenschaft gezielt auf eine Keimzelle zu übertragen. Es werden jedoch Versuche unternommen, einzelne Körperzellen (z. B. Knochenmarkszellen) genetisch zu verändern und diese Zellen für die Therapie von ererbten Krankheiten einzusetzen.

1.3.4

Enzyme als Biokatalysatoren

In der Regel verlaufen nahezu alle für die Zelle wichtigen chemischen Prozesse unter physiologischen Bedingungen (Temperatur von 37 °C, pH-Wert nahe dem Neutralpunkt) mit unmeßbar geringer Geschwindigkeit, so daß chemische Umsetzungen praktisch nicht stattfinden würden. Es ist daher die Anwesenheit spezifischer Katalysatoren156 erforderlich, die die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen erhöhen und so biochemische Vorgänge in der Zelle ermöglichen. Enzyme157 sind Biokatalysatoren, die die Eigenschaft haben, mit hoher Spezifität einzel-

156 157 158

katálysis (gr.) – Auflösung. zyme ´ (gr.) – Sauerteig, Hefe. állos (gr.) – anders; stereós (gr.) – fest, starr.

ne in der Zelle ablaufende Reaktionen zu beschleunigen. Enzyme haben in der Regel eine zweifache Spezifität. Unter Substratspezifität versteht man die Eigenschaft, daß nur eine einzige chemische Verbindung oder bestenfalls chemisch sehr nahe verwandte Verbindungen als Substrat für eine Umsetzung „erkannt“ werden können. Reaktionsspezifität bedeutet, daß mit einem Substrat nur eine einzige Reaktion katalysiert werden kann. Das heißt, daß in der Zelle nur die Reaktionen ablaufen, für die ein eigenes Enzym vorhanden ist. Die Bezeichnungen der Enzyme sind abgeleitet von dem oder den Substraten, die umgesetzt werden, und von der Reaktion, die katalysiert wird. Allgemein wird ein Enzym dadurch gekennzeichnet, daß an die Bezeichnung für die katalysierte Reaktion die Endsilbe -ase angehängt wird. Die Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (abgekürzt GOT) katalysiert den Transfer einer Aminogruppe von Glutamat auf Oxalacetat. Die Lactat-Dehydrogenase (LDH) oder die Alkohol-Dehydrogenase (ADH) katalysieren die Oxidation (Dehydrogenierung) von Lactat bzw. von Alkohol.

Die Geschwindigkeit der chemischen Umsetzungen ist von der Menge und den Eigenschaften der Enzyme abhängig. Daher können Reaktionsgeschwindigkeiten dadurch beeinflußt werden, daß Menge oder Eigenschaften der Enzyme verändert werden. Enzyme sind Proteine, die aufgrund ihrer molekularen Struktur (s. S. 61) die Fähigkeit haben, selektiv ihre Substrate zu binden und deren Reaktionsfähigkeit zu erhöhen. Häufig müssen gleichzeitig zwei Substrate, die miteinander umgesetzt werden sollen, an das Enzymprotein gebunden werden. Den Strukturbereich, an dem Bindung und Umsetzung erfolgen, nennt man das katalytische Zentrum. Da eine spezifische räumliche Anordnung des Proteinmoleküls, seine Konformation, für Bindung und Umsetzung der Substrate erforderlich ist, führen Änderungen der Konformation zu Änderungen der Umsatzgeschwindigkeit. Dies wird häufig für die Regulation einzelner Reaktionen des Stoffwechsels in der Weise ausgenutzt, daß in der Zelle enthaltene Produkte des Stoffwechsels sich an einzelne Enzyme anlagern und dadurch deren Konformation ändern können. Man nennt diese Art der Regulation enzymkatalysierter Prozesse allosterische Regulation158, weil eine Änderung der Raumstruktur der Proteinmoleküle deren Eigenschaften verändert, und weil die die Konformations-Änderung aus-

Biochemische Grundlagen 73

Abb. 1/36: Einige wichtige aus Vitaminen gebildete Coenzyme. NADP = Nicotinamid-adenin-dinucleotidphosphat. Im NAD fehlt die am Kohlenstoffatom 2 der Ribose stehende Phosphatgruppe. FAD = Flavin-adenin-dinucleotid. Der durch die gestrichelte Linie markierte obere Teil des Moleküls stellt das ebenfalls an Dehydrierungsreaktionen beteiligte Coenzym FMN (Flavinmononucleotid) dar. PALP = Pyridoxalphosphat, Thpp = Thiaminpyrophosphat. Der im Coenzym A eingerahmte Teil stammt aus dem Vitamin Pantothensäure.

74

Grundlagen

lösende Substanz an einer vom katalytischen Zentrum verschiedenen Stelle gebunden wird. Zahlreiche Stoffwechselprozesse werden in der Weise allosterisch reguliert, daß das Endprodukt einer Biosynthesefolge das Enzym allosterisch hemmt, das die erste Reaktion der Biosynthesekette katalysiert. Dieses häufig verwirklichte Regulationsprinzip bezeichnet man auch als Rückkopplungshemmung oder feedbackHemmung. Die Wirkungsweise der allosterischen Regulation wurde unter anderem am Beispiel des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin genau untersucht. Hämoglobin ist ein Protein, das an einer spezifischen Stelle des Moleküls Sauerstoff binden kann (s. S. 276). Die Festigkeit der Bindung zwischen Sauerstoff und Hämoglobin wird verringert durch die Substanz 2,3-Bisphosphoglycerat, die an einer anderen Stelle des Hämoglobins bindet und dabei die Konformation dieses Proteins so verändert, daß der Sauerstoff wieder abgegeben wird. Auf diese Weise kann in den roten Blutkörperchen durch die Bildung des 2,3-Bisphosphoglycerats die Abgabe von Sauerstoff aus dem Blut in die Gewebe erhöht werden.

Eine für die Einstellung des gesamten Stoffwechsel-Gleichgewichts in der Zelle wichtige Eigenschaft von Enzymen ist, daß die Geschwindigkeit der katalysierten Reaktion von der Konzentration der Substrate abhängig ist. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt bei Erhöhung der Substratkonzentration in einem hyperbolen Kurvenverlauf an und erreicht schließlich ein Maximum, oberhalb dessen die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration unabhängig wird (Maximalgeschwindigkeit). In der Zelle liegen die Konzentrationen meist in dem Bereich, in dem die Geschwindigkeit sehr ausgeprägt von der Konzentration abhängt. Dies hat zur Folge, daß chemische Umsetzungen in der Zelle in der Regel um so schneller verlaufen, je mehr an Substrat zur Verfügung steht. Hierdurch kann es zu Ungleichgewichten im Stoffwechsel und zur Überproduktion von Stoffwechselprodukten führen, wenn unphysiologisch große Mengen einzelner Substrate angeboten werden. Aus diesem Grunde ist es beispielsweise wichtig, daß die Konzentration wichtiger Nährstoffe, wie beispielsweise Glucose oder Aminosäuren, aber auch von Mineralsalzen oder von Hormonen im Blut sehr genau geregelt ist. Aus dem gleichen Grunde ist es nicht unbedenklich, natürlich vorkommende Substanzen (etwa Vitamine oder andere natürliche Wirkstoffe) in belie-

bigen Mengen aufzunehmen, da hierbei eventuell im Übermaß unerwünschte chemische Prozesse ausgelöst werden können. Coenzyme sind organische Verbindungen, die bei enzymkatalysierten Reaktionen als Reaktionspartner beteiligt sind. Wichtige Coenzyme sind die sogenannten wasserstoffübertragenden Coenzyme NAD bzw. NADP oder die FlavinCoenzyme FMN und FAD (s. Abb. 1/36), die bei Oxidationsreaktionen in die reduzierten Formen NADH oder FADH2 übergeführt werden (Beispiele hierfür s. S. 75 oder S. 77). Im Stoffwechsel der Aminosäuren ist das Coenzym Pyridoxalphosphat (s. Abb. 1/36) an vielen Umsetzungen beteiligt. Das Coenzym A (s. Abb. 1/ 36) ist vor allem für die Umsetzungen von Essigsäure oder Fettsäuren notwendig. Biotin ist beteiligt an Reaktionen, bei denen CO2 in organische Verbindungen überführt wird. Dies ist vor allem für die Synthese von Glucose und von Fettsäuren von Bedeutung. Thiaminpyrophosphat wird zur Energiegewinnung aus Glucose bzw. Pyruvat benötigt.

1.3.5 1.3.5.1

Stoffwechsel Stoffwechsel der Glucose

Wichtigste Funktion des intrazellulären Stoffwechsels der Glucose ist die Gewinnung von Energie. Energie wird unter anderem benötigt zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur, zur Synthese körpereigener Verbindungen, für den Transport von Elektrolyten und von organischen Substanzen durch Zellmembranen (s. S. 50) sowie für mechanische Arbeitsleistungen, wie z. B. bei der Muskelkontraktion. Wie auf S. 78 beschrieben, wird biochemisch verwertbare Energie durch die Phosphorylierung von Adenosindiphosphat (ADP) zu Adenosintriphosphat (ATP) (s. Abb. 1/33) bereitgestellt. In energieabhängigen Prozessen wird ATP wieder in ADP umgewandelt. Die Zelle kann Energie durch den oxidativen Abbau von Glucose zu Brenztraubensäure (die Salze der Brenztraubensäure heißen Pyruvate) gewinnen. Bei dieser Reaktionsfolge, die über eine Reihe von Zwischenstufen verläuft, werden pro Molekül Glucose 2 Moleküle Pyruvat gebildet und 2 Moleküle des Coenzyms NAD zu NADH (s. Abb. 1/37) reduziert.

Biochemische Grundlagen 75

Die bei dieser Reaktionssequenz freiwerdende Energie wird zum Teil als Wärme frei, zum Teil wird sie zur Phosphorylierung von zwei Molekülen ADP zu zwei Molekülen ATP verwendet. Die Bilanzgleichung der Pyruvatbildung (unter physiologischen Bedingungen entsteht das Salz und nicht die freie Brenztraubensäure) lautet daher: Glucose + 2 NAD + 2 ADP + 2 Phosphat → 2 Pyruvat + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP

len an das Blut abgegeben und zur Leber transportiert. Sie kann dort wieder in Pyruvat und aus diesem in Glucose bzw. Glykogen unter Energieverbrauch umgewandelt werden. Eine sog. Lactatacidose, d. h. eine Übersäuerung des Blutes durch Milchsäure, kann entstehen, wenn die Leber wegen ungenügender Durchblutung und damit unzureichender Sauerstoffzufuhr – was bei Schockzuständen auftreten kann – auf den anaeroben Abbau

(1)

Da das Coenzym NAD nur in vergleichsweise zur Glucose sehr geringen Mengen zur Verfügung steht, muß das entstandene NADH durch Folgereaktionen wieder zu NAD oxidiert werden, das dann wieder für die Glucose-Oxidation verfügbar ist. NADH kann in der sog. „Atmungskette“ mit Sauerstoff wieder zu NAD unter Bildung von Wasser oxidiert werden (s. S. 78). In fast allen Zellen ist jedoch ein Enzym enthalten, das die Reduktion von Pyruvat mit NADH zu Milchsäure (Lactat) katalysiert, wobei NADH zu NAD umgesetzt wird. Wenn diese Reaktion, nach der Gleichung: Pyruvat + NADH + H+ → Lactat + NAD

(2)

mit dem Glucose-Abbau nach Gleichung (1) gekoppelt wird, so läßt sich als Bilanz von Gleichung (1) und Gleichung 2) formulieren: Glucose + 2 ADP + 2 Phosphat → 2 Lactat + 2 ATP

(3)

Man nennt diesen Vorgang anaerobe (sauerstofffreie) Glykolyse159. Der entsprechende Vorgang in Mikroorganismen wird als Fermentation oder Gärung bezeichnet. Hier entsteht anstelle von Lactat Alkohol. Die anaerobe Glykolyse oder die Gärung ermöglichen die Energiegewinnung ohne Verbrauch von Sauerstoff. Dies spielt besonders bei erhöhter Muskelarbeit eine wichtige Rolle, wenn nicht genügend Sauerstoff über das Blut zugeführt wird. In den roten Blutkörperchen, die keine Enzyme des „oxidativen Stoffwechsels“ enthalten, ist sie die einzige Möglichkeit zur Energiegewinnung. Die Milchsäure wird aus den Zel-

159

aér (gr.) – Luft; l yein ´ (gr.) – lösen.

Abb. 1/37: Die Einzelreaktionen der Glykolyse. Die Doppelpfeile zeigen an, daß diese Reaktionen bei der Glucose-Synthese in der Leber (Gluconeogenese) auch in umgekehrter Richtung ablaufen können. Die Einzelpfeile bezeichnen „irreversible“ Reaktionen, die bei der Glucogenese nicht umgekehrt werden können.

76

Grundlagen

von Glucose umschaltet und Milchsäure nicht mehr zu Glucose umsetzt. Lactatacidose kann auch bei Patienten mit Diabetes mellitus auftreten, wenn durch medikamentöse Behandlung die Lactatverwertung in der Leber gestört ist.

Der oxidative (aerobe) Abbau führt zur vollständigen Oxidation der Glucose zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser. Da in Gegenwart von Sauerstoff NADH zu NAD und Wasser oxidiert werden kann, wird in diesem Fall das Pyruvat nicht zu Lactat reduziert, sondern es wird decarboxyliert, d. h. es wird CO2 abgespalten, und oxidiert zur sog. „aktiven Essigsäure“. Dies ist eine Verbindung zwischen Essigsäure und dem Coenzym A, einem aus dem Vitamin Pantothensäure synthetisierten Coenzym (Abb. 1/36). Die Decarboxylierung verläuft in einer komplexen Reaktion, bei der unter gleichzeitiger Oxidation durch NAD Kohlendioxid abgespalten wird nach der Reaktionsgleichung: Pyruvat + NAD + Coenzym A → Acetyl-Coenzym A + NADH + H+ + CO2 (4) Für die Reaktion wird neben einem sehr kompliziert gebauten Enzym noch das Coenzym Thiaminpyrophosphat (Abb. 1/36) benötigt, das aus Vitamin B1 gebildet wird. Die „aktivierte Essigsäure“ oder das Acetyl-Coenzym A hat eine zentrale Bedeutung im intrazellulären Stoffwechsel. Es kann über die Reaktionsfolge des sog. „Citratcyclus“ (s. S. 78) vollkommen zu CO2 oxidiert werden. Die bei den einzelnen Oxidationsreaktionen des Citratcyclus gebildeten reduzierten Coenzyme werden durch die Reaktionen der „Atmungskette“ mit Sauerstoff wieder oxidiert (s. S. 78). Bei diesen Oxidationsreaktionen wird ATP aus ADP gebildet. Der gesamte Vorgang, der über viele Einzelreaktionen verläuft, liefert aus einem Molekül Glucose 6 Moleküle CO2 und 6 Moleküle H2O entsprechend der Summengleichung: Glucose + 6 O2 + 38 ADP + 38 Phosphat → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

(5)

Gleichzeitig werden 38 Moleküle ADP zu ATP phosphoryliert. Aus dem Vergleich der Energieausbeuten des anaeroben und des aeroben Glucose-Abbaus ergibt sich, daß zur Gewinnung der gleichen Menge an ATP der aerobe Glucose-Abbau wesentlich langsamer verlaufen kann als die

anaerobe Glykolyse. Daher ist der Glucose-Abbau in der Zelle durch eine Reihe von Kontrollmechanismen exakt reguliert, so daß die Geschwindigkeit des Abbaus jeweils dem Energiebedarf angepaßt wird. Da ein Teil der Energie auch in Form von Wärme frei wird, kann durch Erhöhung des Energieverbrauchs die Geschwindigkeit der Glykolyse erhöht und dadurch Wärme erzeugt werden. So kann z. B. durch Muskelzittern die Körpertemperatur auch bei extremer Kälte aufrechterhalten werden (vgl. S. 457). Acetyl-Coenzym A kann nicht nur über den Citratcyclus oxidiert werden, es ist auch Ausgangsstoff für die Biosynthese von Fettsäuren. Hierdurch besteht ein direkter metabolischer Zusammenhang zwischen Glucose-Abbau und Fettbildung. Eine weitere Aufgabe des Glucose-Stoffwechsels ist die Bereitstellung des reduzierten Coenzyms NADPH, das für viele wichtige Biosynthesen sowie für Entgiftungsreaktionen benötigt wird. Die NADPH-Bildung wird durch das Enzym Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase katalysiert, das in den roten Blutkörperchen, in der Leber und in den Nebennieren in besonders großer Menge enthalten ist. In der Leber und in der Niere kann Glucose aus Pyruvat oder Oxalacetat synthetisiert werden. Pyruvat kann aus Milchsäure oder ebenso wie Oxalacetat als Abbauprodukt des AminosäureStoffwechsels entstehen. Die Reaktionskette, die zur Glucosebildung aus Pyruvat führt, ist weitgehend eine Umkehrung des glykolytischen Glucose-Abbaus. Sie wird auch durch die gleichen Enzyme katalysiert. Einige der Reaktionsschritte erfordern jedoch die Anwesenheit spezifischer Enzyme, die nur in Leber und Niere enthalten sind. Die Fähigkeit zur Synthese und zur Abgabe von Glucose an das Blut ist eine der wichtigsten Funktionen der Leber, die den Organismus zur Erhaltung einer weitgehend konstanten Konzentration an Glucose im Blut und damit zur Versorgung der einzelnen Gewebe befähigt, unabhängig von der Zufuhr von Kohlenhydraten mit der Nahrung. Die Synthese von Pyruvat aus Acetyl CoA und damit eine Glucose-Synthese aus Fettsäuren ist im Organismus der Säugetiere, also auch des Menschen, nicht möglich, da ihm die hierfür erforderlichen Enzyme fehlen. Daher müssen mit der Nahrung ständig Kohlenhydrate oder Eiweiße zugeführt werden. Eine reine Fett-Nahrung führt zu Mangelzuständen.

Biochemische Grundlagen 77

1.3.5.2

Biosynthese und Abbau von Fettsäuren

Fettsäuren werden als Bestandteil der Nahrungsfette dem Organismus zugeführt, sie können aber auch, vor allem in der Leber, synthetisiert werden. Im Stoffwechsel sind sie in erster Linie für die Gewinnung von Energie von Bedeutung. Hierzu müssen die Fettsäuren zuerst mit Coenzym A „aktiviert“ werden, wobei Energie in Form von ATP verbraucht wird, das dabei in AMP umgewandelt wird. Dieses Prinzip, daß für die Energiegewinnung durch Oxidation zuerst Energie aufgewendet werden muß, gilt auch für die Energiegewinnung durch oxidativen Abbau von Glucose. Es entspricht dem Prinzip der Energiegewinnung bei Verbrennungsprozessen, bei denen zunächst auch Energie in Form von Wärme zugeführt werden muß, um den Prozeß zu „zünden“. Abgebaut werden „aktivierte“ Fettsäuren durch Oxidation mit den Coenzymen NAD und FAD (s. Abb. 1/36), wobei AcetylCoenzym A („aktivierte Essigsäure“) und eine um 2 Kohlenstoffatome kürzere Fettsäure entstehen nach dem allgemeinen Schema: H3C-(CH2)l6-CO-CoA + FAD + NAD + Coenzym A + H2O → H2C-(CH2)l4-CO-CoA + FADH2 + NADH (1) + H+ + AcetylCoA Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das gesamte Fettsäure-Molekül in Acetyleinheiten gespalten ist. Sowohl bei der Oxidation von FADH2 und NADH in den Mitochondrien wie auch bei der Oxidation von Acetyl-Coenzym A im Citratcyclus (s. S. 79) wird Energie in Form von Wärme und ATP gewonnen. Aus Acetyl-Coenzym A, das auch beim Abbau von Glucose oder von Aminosäuren entstehen kann, können wieder Fettsäuren aufgebaut werden. Dies ist vor allem in der Leber wichtig, um aus überschüssigem Acetyl-CoA Fettreserven zu bilden. Deshalb führt eine Überernährung mit Kohlenhydraten zur Fettbildung, wenn das Übermaß an Acetyl-CoA nicht anderweitig verwertet werden kann. Die Reaktionen der Fettsäure-Biosynthese sind ähnlich wie die des Fettsäure-Abbaus, werden jedoch von anderen Enzymen katalysiert. Die Fettsäure-Synthese erfordert das reduzierte Coenzym NADPH, das aus dem Glucose-Stoffwechsel be-

reitgestellt wird (s. S. 76) und das Coenzym Biotin (s. Abb. 1/36), das für den ersten Reaktionsschritt der Biosynthesekette erforderlich ist. 1.3.5.3

Stoffwechsel der Stickstoffverbindungen

Die wichtigste Stickstoffquelle des Körpers sind die Nahrungsproteine. Die aus diesen bei der Verdauung abgespaltenen und ins Blut aufgenommenen Aminosäuren dienen sowohl dem Aufbau körpereigener Proteine wie auch der Synthese einer großen Anzahl anderer Stickstoffverbindungen des Körpers. Daher ist der Stoffwechsel der Aminosäuren sehr vielfältig. Viele an den Umsetzungen der Aminosäuren beteiligten Enzyme benötigen für ihre katalytische Wirkung das Coenzym Pyridoxalphosphat (s. Abb. 1/37), das aus Vitamin B6 (s. S. 392) entsteht. Da der Körper ständig Stickstoff verliert (Abschilferung von Zellen, Ausscheidung von Abbauprodukten in Kot und Harn etc.) sind Eiweiße in der Ernährung durch keine andere Nahrungsquelle zu ersetzen. Ein Erwachsener muß, um das „Stickstoffgleichgewicht“ zu erhalten, täglich mindestens 30-35 g Eiweiß aufnehmen. In der Regel ist die Eiweißzufuhr mit der Nahrung wesentlich höher, so daß die Kohlenstoffgerüste der Aminosäuren z. T. für die Synthese von Kohlenhydraten oder Fetten verwendet werden können (vgl. S. 388). In diesem Falle muß der Stickstoff in eine ausscheidungsfähige Form überführt werden. Als Abbauprodukt von Aminosäuren entsteht zunächst Ammoniak (NH3), ein starkes Zellgift. Er muß also durch sehr effektiv arbeitende Enzyme in eine ungiftige Verbindung überführt werden. Dies geschieht in den Körperzellen durch das Enzym Glutaminsynthetase, das die Umsetzung der Aminosäure Glutaminsäure mit Ammoniak und ATP zu Glutamin (s. Abb. 1/27), ADP und Phosphat katalysiert. Glutamin ist ungiftig und wird im Blut zur Leber transportiert. Dort wird es wieder zu Glutaminsäure und Ammoniak gespalten, Ammoniak wird in der Leber in einer Folge von Einzelreaktionen zu Harnstoff umgesetzt (vgl. S. 432). Harnstoff wird wieder ans Blut abgegeben und in der Niere mit dem Harn ausgeschieden (vgl. S. 478). Glutamin ist nicht nur für den Transport überschüssigen Stickstoffs, sondern auch als Ausgangssubstanz zahlreicher Biosynthesen von Stickstoffverbindungen wichtig.

78

Grundlagen

Eine der wohl wichtigsten Biosynthesen mit Glutamin ist die Synthese der Purinbasen in den Nucleotiden und Nucleinsäuren (s. Abb. 1/33). Abbauprodukt der Purine ist die Harnsäure, die bei manchen Tieren (Vögel, Reptilien) das End- und Ausscheidungsprodukt des Stickstoff-Stoffwechsels ist. Auch der Mensch produziert, im Gegensatz zu den meisten Säugetieren, nicht unerhebliche Mengen an Harnsäure. Bei einem Überangebot von Eiweiß und damit von Glutamin kann die Menge der produzierten Harnsäure so groß werden, daß die relativ schwerlösliche Verbindung vor allem in den Gelenken in kristalliner Form abgelagert wird und dort Entzündungen hervorruft. Als Folge dieser Stoffwechselstörung entsteht die Gicht, die sich zunächst in entzündlichen Veränderungen der Gelenke an den Extremitäten äußert. Gicht tritt deshalb vor allem häufig als Folge von Überernährung auf. Es gibt jedoch viele andere, oft erblich bedingte Ursachen für Gicht, wie etwa verminderte Ausscheidung von Harnsäure über die Niere oder eine Überproduktion infolge von Veränderungen der Enzyme des Purin-Stoffwechsels.

1.3.5.4

Energiegewinnung und Atmung

Für die Gewinnung von biochemisch verwertbarer Energie in Form von ATP sind, mit Ausnahme der Glykolyse, in den Mitochondrien der Zellen ablaufende Reaktionen verantwortlich. Die Hauptfunktion der Mitochondrien ist die Bereitstellung von ATP durch eine Folge von biochemischen Prozessen. Der größte Teil des in der Zelle gebildeten ATP wird durch Kopplung der Reaktionen des Citratcyclus und der Atmungskette gewonnen. Der Citratcyclus ist eine Reaktionsfolge, bei der das aus dem Abbau der Glucose oder der Fettsäuren entstandene Acetyl-Coenzym A mit Oxalacetat unter Bildung von Citrat reagiert, wobei Coenzym A freigesetzt wird. Citrat wird durch mehrere Oxidationsreaktionen zunächst zu 2-Oxoglutarat und dann zu Succinat (Salz der Bernsteinsäure) umgesetzt, wobei zwei Moleküle CO2 freigesetzt werden. Aus Succinat entsteht über Fumarat und Malat wieder Oxalacetat (s. Abb. 1/38). Als Bilanz dieser ganzen Reaktionsfolge entstehen aus einem Molekül AcetylCoenzym A zwei Moleküle CO2, insgesamt 3 Moleküle NAD werden zu NADH und 1 Molekül FAD zu FADH2 reduziert. Zusätzlich wird noch ein Molekül GDP zu GTP phosphoryliert. Die Bilanzgleichung des Cyclus lautet: 160

k ytos ´ (gr.) – Gefäß, Zelle; chroma (gr.) – Farbe.

Acetyl-Coenzym A + 3 NAD + FAD + GDP + Phosphat → 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + Coenzym A (1). Die neben der Wärmefreisetzung pro Molekül Acetyl-Coenzym A in Form von ATP zu gewinnende Energie ergibt sich daraus, daß in der Atmungskette (s. unten) durch die Oxidation von 1 NADH drei Moleküle ATP, durch die Oxidation von FADH2 zu FAD zwei Moleküle ATP und aus GTP ein weiteres Molekül ATP gewonnen werden können. Dies ergibt in der Bilanzgleichung (1) insgesamt einen Gewinn von 12 Molekülen ATP. Die Atmungskette ist eine Folge von Oxidationsreaktionen, die durch Enzyme katalysiert werden, die in der Mitochondrienmembran lokalisiert sind. Bestandteile der Atmungskette sind Enzyme, die Wasserstoff von NADH auf FMN und von dort auf das Ubichinon (Abb. 1/ 39) übertragen. Ferner sind elektronenübertragende Enzyme, die Cytochrome 160, beteiligt, die letztlich die Reaktion zwischen den Wasserstoff-Äquivalenten und Sauerstoff bewirken. Cytochrome sind Proteine, die eine der Farbstoffkomponente des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin ähnliche eisenhaltige Farbstoffkomponente enthalten, die für die Elektronenübertragung erforderlich ist. Als Bilanz der gesamten Reaktionsfolge ergibt sich die Oxidation von NADH mit Sauerstoff nach der Gleichung: 2 NADH + 2 H+ + O2 → 2 NAD +2 H2O

(2).

Bei dieser Reaktionsfolge wird ein erheblicher Energiebetrag frei. Diese Energie wird zum Teil in Wärme umgesetzt, zum Teil wird hierdurch ein Enzymsystem in Gang gesetzt, das die Phosphorylierung von ADP nach der Reaktionsgleichung: ADP + Phosphat → ATP

(3)

katalysiert. Die für diese Phosphorylierung notwendige Energie wird durch Kopplung von Oxidations- und Phosphorylierungsreaktion aufgebracht. Insgesamt werden pro NADH drei ATP, pro Flavincoenzym zwei ATP synthetisiert. Man nennt die Bilanz der Gleichungen (2) und (3) die oxidative Phosphorylierung.

Biochemische Grundlagen 79

Abb. 1/38: Die Zwischenprodukte des Citratcyclus. Die Pfeile bezeichnen keine stöchiometrischen Reaktionen, sondern lediglich die Produkte der einzelnen Reaktionsschritte. Bei einem „Durchgang“ des Cyclus wird ein Acetylrest zu zwei Molekülen CO2 oxidiert. Gleichzeitig wird dreimal NADH aus NAD, einmal FADH2 aus FAD und einmal GTP aus GDP gebildet.

Abb. 1/39: Oxidierte und reduzierte Form von Ubichinon (Coenzym Q).

80 Grundlagen

Die Kopplung zwischen Oxidation und ADPPhosphorylierung wird durch die von P. MITCHELL 1961 formulierte „chemiosmotische Hypothese“ erklärt. Hiernach wird die bei der Oxidation gewonnene Energie durch Protonentransportvorgänge an der inneren Mitochondrienmembran auf das ATP-synthetisierende Enzymsystem übertragen. Drei in der inneren Membran enthaltene Enzymkomplexe, die NADH-Ubichinon Reductase, die Cytochrom c Reductase und die Cytochrom Oxidase, katalysieren die Elektronenübertragungen von NADH über Flavinenzyme, Ubichinon, Cytochrom c schließlich auf molekularen Sauerstoff, der hierbei zu Wasser reduziert wird. Ein vierter Enzymkomplex, die Succinat-Ubichinon Reductase, überträgt Elektronen von Succinat auf Ubichinon. Die Oxidation wird mit der ATP-Synthese dadurch gekoppelt, daß durch den Elektronentransport von NADH ausgehend insgesamt drei Protonen (Wasserstoffionen) über die innere Mitochondrienmembran (s. S. 9) in den Intermembranraum transportiert werden. Geht die Oxidationskette von Flavin-Coenzymen aus, werden zwei Protonen transportiert. Das hierbei entstehende Ungleichgewicht (Protonengradient) zwischen Intermembranraum und Matrixraum der Mitochondrien liefert die für die ATPBildung erforderliche Energie. Die Protonen werden über das ebenfalls in der inneren Membran enthaltene Enzymsystem ATP-Synthase (auch H+-ATPase genannt) zurücktransportiert und treiben dabei die Phosphorylierung von ADP zu ATP an. Entkoppler der oxidativen Phosphorylierung sind Substanzen, die in der Mitochondrienmembran die Beziehung zwischen Oxidationsreaktion und ATP-Synthese unterbrechen. Die bei der Oxidation von NADH freiwerdende Energie wird in diesem Falle ausschließlich in Wärme umgesetzt. Entkoppler bewirken daher eine Verarmung der Zellen an ATP und dadurch eine Steigerung der Atemfrequenz sowie eine Erhöhung der Körpertemperatur. Eine teilweise Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung kann im sog. braunen Fettgewebe auftreten, einem sehr mitochondrienreichen Gewebe, das vor allem bei Säuglingen im Schulter- und oberen Rückenbereich ausgebildet ist. Hier wird offensichtlich ein Teil der Oxidationsenergie für die Wärmegewinnung ausgenutzt. Ähnliche Mechanismen wurden bei Winterschläfern gefunden, wo die Entkopplung bei Beendigung der Schlafperiode einsetzt. Der Einsatz von Entkopplern als „Schlankmacher“ hat sich wegen deren hoher Toxizität nicht bewährt.

Cyanide, Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff vergiften die Atmung durch Blockierung der Cytochromoxidase, einem Enzym der Atmungskette. Im Falle des Kohlenmonoxids liegt allerdings die Ursache der tödlichen Vergiftungen in der Blockade des Sauerstofftransports über das Blut in die Gewebe (s. S. 280). Cytochrom c, ein relativ kleines Protein, das als einziges Cytochrom des Atmungssystems relativ leicht von der Membran abgelöst werden kann, kommt in allen Organismen vor, die über eine mitochondriale Atmungskette verfügen. Geringfügige Variationen der Aminosäuresequenz beeinträchtigen seine Funktion nicht. Es wurde in der Evolution lange vor der Trennung in Tier- und Pflanzenreich entwickelt. Die Analyse der verschiedenen Sequenzen erlaubte erstmals die Aufstellung eines „Stammbaums“ der Evolution auf der Basis molekularer Verwandtschaften, der mit dem aus morphologischen Merkmalen abgeleiteten Stammbaum weitgehend identisch ist.

1.3.6

Biochemische Mechanismen zur Funktionssteuerung von Zellen

Zellfunktionen werden nur z. T. durch den Zellkern (s. S. 23 und S. 82) reguliert. Von außen auf Zellen einwirkende Reize wirken in vielfacher Weise steuernd auf Zellfunktionen ein. Hierzu können 1. Veränderungen des Membranpotentials dienen, welche durch Ionenverschiebungen im Extrazellularraum oder bei Ioneneinflüssen durch Zellkontakte auftreten (s. S. 165), 2. Stoffe, welche aus dem Blut (z. B. Hormone, s. S. 699, oder Antigene, s. S. 287) alle Zellen erreichen oder aus präsynaptischen Endigungen (s. S. 165) an die Zellmembranen von Nervenzellen gelangen, Membranprozesse in Gang setzen, 3. Wirkstoffe, die aus Zellen kommen, in den Nachbarzellen spezifische Steuervorgänge auslösen (charakteristische Stoffe dieser Art sind Prostaglandine, Histamin oder andere Gewebshormone, s. S. 702), 4. Stoffe aus dem Extrazellularraum aufgenommen werden und in der Zelle Steuervorgänge auslösen. Dies gilt z. B. für einige Hormone (s. S. 699), für Calciumionen (s. S. 179), aber auch für viele Zwischenprodukte des Stoffwechsels, die von Zellen an das Blut abgegeben und von anderen Zellen wieder aufgenommen werden.

Biochemische Grundlagen 81

Die an den Plasmamembranen ablaufenden funktionssteuernden Prozesse werden oft durch spezifische Botenstoffe (messenger) vermittelt, die in Form einer Informationskette ein Signal an das Zellinnere weiterleiten. Von außen an die Zelle herangeführte Stoffe wie z. B. viele Hormone sind die „ersten Botschafter“ (first messenger), die die Bildung von intrazellulären Stoffen (second messenger) auslösen. Calciumionen, cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) oder Inositol Trisphosphat (IP3) sind derartige Botenstoffe (s. auch S. 699), die in der Zelle einzelne biochemische Reaktionen aktivieren oder hemmen. Das Calcium kann seine Botenfunktion erfüllen, wenn es aus zellulären Speichern freigesetzt wird und dann wichtige Reaktionen, z. B. Muskelkontraktionen (s. S. 191 und S. 179) ermöglicht. Das cAMP (s. S. 700), ein Abkömmling des für die Energieübertragung wichtigen ATP, ist ein second messenger, welcher erst ins Spiel kommt, wenn ein Signalstoff (z. B. ein Hormon) an einer spezifischen Bindungsstelle der Zellmembran die Konformation des Rezeptorproteins verändert hat und dadurch einem an der Membraninnenseite liegenden Protein (G-Protein genannt) mit intrazellulären Guanosintriphosphat (GTP) zu reagieren erlaubt. Das hieraus aktivierte G-Protein aktiviert das ebenfalls an der Membraninnenseite liegende Enzym Adenylatcyclase, das ein ATP-Molekül in cAMP umwandelt. Dieses wasserlösliche cAMP ist der eigentliche Botenstoff, welcher im Zellinneren ein anderes Enyzm, die Proteinkinase aktiviert. Hierbei wird eine katalytische Untereinheit frei, die ihrerseits Proteine phosphoryliert und dadurch deren Eigenschaften verändert (s. Abb. 16/1, S. 700). Ein solcher Mechanismus reguliert z. B. den Abbau von Glykogen im Muskel oder in der Leber. Die Reaktionsketten münden hier in einer Enzymaktivierung, welche zahlreiche Proteine phosphorylieren kann und damit einen hohen Verstärkungsfaktor hat. Über solche Ketten werden z. B. Änderungen des Lipid- und Kohlenhydratstoffwechsels, aber auch Änderungen der Kontraktion von Herzmuskelzellen u. a. ausgelöst. Es gibt auch Rezeptoren, die nach Ankopplung eines Überträgerstoffs über Guanosintriphosphat (GTP) und über ein hemmendes G-Protein die Adenylatcyclase und damit die Entstehung von cAMP hemmen. Wenn diese Ketten in Gang gekommen sind, so kommt es z. B. zur

Hemmung des Lipidabbaus. Das cAMP ist demnach als Steuersystem multifunktional. Das Inositol-Trisphosphat (IP3) ist ein second messenger, der aus den Lipiden der Zellmembran (s. S. 63) freigesetzt werden kann. Nach Rezeptorbindung des Signalstoffs an der Zellmembran wird an der Zellinnenseite Guanosintriphosphat (GTP) in Guanosindiphosphat (GDP) umgewandelt. Dieser Prozeß aktiviert das Enzym Phospholipase (PLC). Die aktivierte PDC spaltet das Membranlipid Phosphaditylinositbisphosphat in IP3 und das Lipid Diacylglycerin. IP3 ist der second messenger, der in das Cytosol diffundiert. Er wirkt unter anderem durch Freisetzung von Calcium aus dem endoplasmatischen Reticulum, das seinerseits als weiterer Botenstoff (s. oben) calciumabhängige Phosphokinasen aktivieren kann. Dies führt zur Phosphorylierung von Funktionsproteinen. Auch das Lipidspaltprodukt Diacylglycerin bewirkt über Zwischenschritte Phosphorylierungen von Proteinen, die dadurch in ihre aktivierte Form übergehen. Das IP3-second messengerSystem kann durch eine große Zahl von Überträgerstoffen und Hormonen in Gang gesetzt werden, z. B. durch Serotonin, Acetylcholin, Vasopressin (s. S. 708). Die Auswirkungen auf den Zellstoffwechsel sind ähnlich vielfältig wie bei cAMP und betreffen zahlreiche Schritte des Lipid-, Protein- und Kohlenhydratstoffwechsels. Die erwähnten Steuerungssysteme sind miteinander vermascht, so daß sehr fein abgestimmte Regulationen möglich sind.

82 Grundlagen

1.4 Grundlagen der Humangenetik Forschungsaufgabe der Humangenetik ist die Analyse der genetischen Variabilität der Species161 Mensch in Zeit und Raum. Sie umfaßt die statistische Analyse der familiären Verteilung von Merkmalen, die Mutationsforschung, die Cytogenetik, die Populationsgenetik, in zunehmendem Maße auch Fragen der molekularen Genetik. Sie bedient sich hierbei zur Erfassung der Merkmale und der von ihnen getragenen Leistungen der Methoden der Serologie, Immunologie, der Biochemie, der Zellzüchtung und Mikroskopie, der vergleichenden Morphologie und Statistik. Die Humangenetik ist so nicht eindeutig von ihren Nachbarwissenschaften – vor allem der Biochemie – zu trennen. Von den Merkmalen wird rückgeschlossen auf die Existenz von distinkten Vererbungseinheiten, den Genen, die als DNA im Zellkern codiert sind. Die DNA 162 ist dort zu größeren Einheiten, den Chromosomen163, zusammengefaßt, die u. a. gewährleisten sollen, daß keine Information bei den Zellteilungen und Reifeteilungen verloren gehen kann und daß bei den Reifeteilungen der Chromosomensatz – also auch der DNA-Gehalt – genau halbiert wird. Bei der Befruchtung der Eizelle durch eine Samenzelle erhält die Zygote164 damit die Hälfte der Erbanlagen vom Vater, die Hälfte stammt von der Mutter. Eizellen und Samenzellen sind also haploid165, sie enthalten jede Information und damit jedes

161 162

163 164 165 166 167

168 169 170 171 172

species (lat.) – Art. DNA = Desoxyribonucleic acid – die genetische Information. chroma (gr.) – Farbe; soma (gr.) – Körper. zygos (gr.) – Joch; befruchtete Eizelle. haplóos (gr.) – einfach. diplóos (gr.) – doppelt. Chromosomen, die nicht an der Geschlechtsbestimmung beteiligt sind. lócus (lat.) – Ort. allélon (gr.) – gegenseitig. pólys (gr.) – viel; genos (gr.) – Erbanlage. Gift der Herbstzeitlose (Colchicum autumnale). zusammengesetzt aus Zentrum und meros (gr.) – Teil; Ansatzstelle der Spindelfaser bei der Kernteilung.

Chromosom nur einmal; die Zygote ist dagegen dann in allen Körperzellen diploid166. Der Mensch besitzt in den Körperzellen 46 Chromosomen. Diese Chromosomen lassen sich unterscheiden in 22 Autosomenpaare167 und die 2 Geschlechtschromosomen X und Y (beim Mann XY, bei der Frau XX). Die Paarlinge eines Chromosomenpaares werden homologe Chromosomen genannt; ihre Gestalt ist identisch. Sie enthalten also auch in gleicher Anordnung die gleichen Genorte (loci168). Die Gene eines Genortes müssen aber nun nicht identisch sein, sie können voneinander abweichen. Derart unterschiedliche Ausfertigungen eines Gens bezeichnen wir als Allele169. Sind beide Gene eines Genortes gleich, so ist der Mensch homozygot; liegen die Gene in unterschiedlicher Ausfertigungen vor, so ist der Proband heterozygot. Die Gesamtheit der Erbanlagen einer Person bezeichnen wir als Genotypus; die Gesamtheit der Merkmale, die mit den jeweiligen Erbanlagen erfaßt werden, nennt man den Phänotypus, das Erscheinungsbild. Ziel der Humangenetik ist dabei, einen Phänotypus mit einem Genotypus zu parallelisieren, letztlich also Merkmalsunterschiede zurückzuführen auf Unterschiede der genetischen Information. Dieses Ziel ist jedoch nicht generell erreichbar in Abhängigkeit von den jeweiligen Merkmalen und den Methoden zu ihrer Erfassung. Je weniger weit der Weg vom Gen zum Merkmal ist, um so präziser der Rückschluß auf eine bestimmte Information. Die kompliziert aufgebauten Merkmale der äußeren Körperform z. B. lassen sich nur mit den Methoden der deskriptiven und messenden Morphologie erfassen: die genetische Analyse bleibt beschränkt auf die Aussage, sie seien polygen170, durch viele Erbanlagen bedingt. Proteine und Enzyme andererseits sind offensichtlich unmittelbare/nahezu unmittelbare Genprodukte, bei denen die Parallelisierung Gen – Merkmal möglich ist.

1.4.1

Chromosomen

Seit 1956 ist bekannt, daß der menschliche Chromosomensatz 46 Chromosomen enthält. Früher ging man von 48 Chromosomen aus. Die Korrektur gelang durch eine entscheidende Verbesserung der Untersuchungstechnik: Es werden Zellen in der Kultur gezüchtet und die Kultur mit Colchizin171 behandelt. Das Colchizin blockiert die Teilung des Centromers172 nach be-

Grundlagen der Humangenetik 83

reits erfolgter Teilung der Chromosomenarme. Die Kernteilung wird also im Stadium der Metaphase 173 blockiert. (Kern- und Zellteilung s. S. 30ff.) Durch anschließende Zugabe einer hypotonischen Kochsalzlösung wird die Zelle schließlich durch die eindringende Flüssigkeit explosionsartig gesprengt und der Zellinhalt über ein größeres Areal verstreut. Der Analyse stehen dann keine Schwierigkeiten mehr entgegen. Man unterscheidet nach der Größe der Chromosomen und nach der Lage des Centromers 7 große Gruppen (Tab. 1/2 und Abb. 1/40): Tab. 1/2: Einteilung der menschlichen Chromosomen. Chromosom.- Charakteristika gruppe A 1-3 Große Chromosomen mit annähernd medianem Centromer. Nach Größe und Lage des Centromers unterscheidbar. B 4-5 Große Chromosomen mit submedianem Centromer. C6-12 + X Mittelgroße Chromosomen. Nr. 6, 7, 8, 11 und X mehr metazentrisch174. Nr. 9, 10, 12 submetazentrisch. D 13-15 Mittelgroße Chromosomen mit fast terminalem Centromer. (akrozentrische Chromosomen). E 16-18 Ziemlich kurze Chromosomen mit fast medianem (Nr. 16) oder submedianem Centromer. F 19-20 Kurze Chromosomen mit annä hernd medianem Centromer. G 21-22 + Y Sehr kurze akrozentrische175 Chromosomen. Das Y-Chromosom ist meist etwas länger.

Innerhalb der Gruppen – besonders C und D – war früher die Identifizierung einzelner Chromosomen praktisch nicht möglich. Erst durch

173

174 175 176

177

Stadium der Kernteilung; hier sind die Chromosomen maximal kontrahiert. méta (gr.) – inmitten. ácros (gr.) – äußerstes Ende, Spitze. nach Giemsa-Färbung stärker angefärbte Banden der Chromosomen. nach Quinacrine-Behandlung Fluoreszenzbanden im UV-Licht.

die seit 1970 entwickelten neuen Darstellungsmethoden, die fluoreszierende Farbstoffe wie Quinacrine und Atebrin oder Giemsafärbungen nach spezifischer Vorbehandlung der Zellen verwenden, lassen sich Querbänderungen nachweisen, die nunmehr jedes Chromosom eindeutig kennzeichnen. Diese Bändermuster treten auch in bestimmten erblichen Varianten auf. G-Bänder-Varianten176 sind dabei relativ selten, Q-Bänder-Varianten177 dagegen in nahezu 50 % der Bevölkerung vorhanden. Für den Phänotypus sind diese Varianten offensichtlich ohne Bedeutung. Sie erlauben aber z. B. Aussagen über die Herkunft überzähliger Varianten vom Vater oder von der Mutter; sie erlauben darüber hinaus auch die Erkennung immer kleinerer Translokationen und Deletionen (s. S. 765). 1.4.1.1

X-Chromosom

In den Körperzellen ist je eines der beiden XChromosomen im weiblichen Geschlecht stärker kondensiert, dadurch in manchen Zellen in besonders leichter und eleganter Weise erkennbar. So findet sich in den Epithelzellen in Mundschleimhautabstrichen fast ständig im Zellkern ein mit Kernfarbstoffen anfärbbares Kern-Körperchen oder BARR-Körperchen. In den polymorphkernigen Leukocyten finden sich diese Körperchen als Trommelschlegel, gut erkennbare typische Ausstülpungen des Chromatins im Kern. Diese Chromatinkörperchen entsprechen offensichtlich dem zweiten, spätreplizierenden X-Chromosom der Frau, das weitgehend inaktiviert ist. Die Zahl der BARR-Körperchen, die maximal pro Zelle nachweisbar sind, entspricht der Zahl der X-Chromosomen der diploiden Zelle minus 1. 1.4.1.2

Y-Chromosom (F-Körper)

Das Y-Chromosom liefert bei der Färbung mit fluoreszierenden Kernfarbstoffen eine intensive Fluoreszenz seines langen Armes im UV-Licht. Diese Fluoreszenz ist auch in den Interphasekernen erkennbar. Bei einer seltenen Variante des Y-Chromosoms fehlt ein größerer Abschnitt des langen Armes, damit auch die Fluoreszenz.

84 Grundlagen

Abb. 1/40: Die Chromosomen des Menschen.

Grundlagen der Humangenetik 85

1.4.1.3

Zur Chromosomen-Nomenklatur

Zur Kennzeichnung der Karyotypen178 wurde 1971 in Paris ein Formelsystem vereinbart. Dabei wird zunächst die Chromosomenzahl notiert, dann die Geschlechtschromosomen 46, XX 45, X

Frau TURNER-Syndrom.

Ein überzähliges oder fehlendes Chromosom wird dem voranstehenden Ausdruck mit + oder – angefügt: 46, XX + 21 DOWN -Syndrom weiblich. Beim Mosaik werden die Zellinien durch Schrägstrich getrennt: 45, X / 46, XY. Bei Deletionen179 und Translokationen wird die jeweilige Verlängerung oder Verkürzung des kurzen (p) oder langen Arms (q) mit + und – angegeben: p+ oder p– usw. Die Bändertechniken machen darüber hinaus noch feinere Unterteilungen notwendig. So werden die Chromosomen in 1-4 Regionen, die Regionen wiederum in numerierte Banden und Unterbanden unterteilt. 1q43 bezeichnet also das 3. Band der 4. Region des langen Armes von Chromosom 1.

1.4.2

Biochemischer Aufbau der Gene (s. auch S. 69ff)

Die genetische Information ist die DNA (Desoxyribonucleinsäure) des Zellkerns. Jeweils drei definierbare Basenpaare der DNA (Codons) tragen die Information für eine bestimmte Aminosäure. Das Strukturgen, das funktionelle Gen180, ist die Summe aller Codons für die Synthese einer ganzen Polypeptidkette. Für die Umsetzung von Information der DNA in Genprodukt, also z. B. Protein, werden besondere Überträgerstoffe benötigt, die in ihrer Gesamtheit RNA-Produkte (Ribonucleinsäuren) sind, aber in unterschiedlicher Ausführung existieren. Die Boten-Ribonucleinsäure (messenger-RNA, mRNA) entspricht in der Anzahl ihrer Codons

178 179

180 181

káryon (gr.) – Nuß, Fruchtkern. delére (lat.) – vernichten; Verlust von Chromosomenmaterial. génos (gr.) – Geschlecht, Gattung. Cistron, Intron und Exon sind Kunstwörter.

den DNA-Codons des Cistrons, ebenfalls der Anzahl der Aminosäuren der Polypeptidkette. Durch Zwischenschaltung der mRNA wird die Information von der DNA übertragen auf die Ribosomen (rRNA) im Zellplasma. Dorthin werden durch die Transfer-RNA (tRNA) die einzelnen Aminosäuren gebracht, so daß dann an der Oberfläche der Ribosomen die Polypeptidketten synthetisiert und mit anderen Polypeptidketten zu funktionsfähigen Molekülen montiert werden können (Abb. 1/41 und Abb. 1/42, S. 86). Das zentrale Dogma der Genetik geht davon aus, daß das Cistron181 die Informationseinheit für eine ganze Polypeptidkette darstellt. Dennoch aber ist das Cistron keine in sich geschlossene Einheit von Codons, entsprechend der Amino-säuresequenz. Es finden sich, manchmal sogar mitten im Codon, Einfügungen von DNA-Sequenzen, die entweder informationslos oder zu-ständig für ganz andere Genprodukte sein können. Diese Einfügungen wurden Intron181 genannt, die sie umgebenden echten codierenden Sequenzen Exons181. Die Exons enthalten in der Regel zwischen 90 und 150 Basenpaare. Die codierende Sequenz für eine größere Polypeptid-kette ist damit dann auch in entsprechend viele Exons aufgeteilt. Die Introns variieren in ihrer Länge dabei gewaltig, zwischen 50 und 20 000 Basenpaaren. Das Herausschneiden der intervenierenden Bereiche erfolgt auf dem Niveau der mRNA; an der DNA entsteht also ein Vorläufer der mRNA, der noch eine echte Kopie der Gesamt-DNA-Sequenz darstellt. Erst nach der „Reinigung“ gelangt die reife mRNA aus dem Zellkern an die Ribosomen im Plasma.

86

Grundlagen

Abb. 1/41: Synthese von tRNA, rRNA und mRNA. (Nach GORINI 1966; verändert.)

Abb. 1/42: Schema der Synthese einer Polypeptidkette. (Nach GORINI 1966; verändert.)

87

2 Gewebe 2.1 Gewebsdefinition und allgemeine Charakteristik der Gewebe Vor der Entdeckung des zellulären Baues des Organismus glaubte man, daß dieser aus Fasern aufgebaut sei und verglich seine Bauweise mit Gewobenem, weshalb man auch heute noch von den Geweben und der Gewebelehre, Histologie1, spricht. Im strengen Sinn dürfte man eigentlich nur das Bindegewebe als ein Gewebe bezeichnen, da nur in ihm faserige Gebilde den zwischenzelligen Bereich z. T. in intensiver gegenseitiger Verflechtung durchdringen. Die heutige Gewebsdefinition ist durch die Erkenntnis der zellularen Grundlage aller Körperstrukturen erweitert: „Gewebe sind Verbände gleichartig differenzierter Zellen und ihrer Abkömmlinge, den Interzellularsubstanzen“ (nach BARGMANN2). Dabei haben Gewebe nicht den Rang in sich geschlossener Kompartimente des Körpers, wie dies für Zellen oder Organe (s. u.) zutrifft, sondern sie fungieren vielmehr als Substanz bzw. Baumaterial für alle Organe. Hierbei sind die Gewebe in jedem Organ unterschiedlich, aber für jedes Organ charakteristisch zueinander angeordnet. Gegenüber den 21 verschiedenen Gewebearten, die man um 1800 kannte (BICHAT 3), unterscheidet man heute:

1

2

3

histós (gr.) – Schiffsbaum, Webebaum, Webstuhl, Gewebe. BARGMANN, W., 1906-1978, Prof. der Anatomie, zuletzt in Kiel. BICHAT, M. F. X., 1771-1802, Physiologe, Anatom und pathol. Anatom in Paris. B. unterschied z. B. Knorpel-, Knochen-, Sehnen-, Lymphgewebe als eigene Gewebearten.

– – – –

Epithelgewebe Binde- und Stützgewebe Muskelgewebe Nervengewebe

Diese Einteilung erfolgt hauptsächlich nach morphologischen Gesichtspunkten, wie nach der Anordnung der Zellen und der zwischenzelligen Substanz, teilweise auch nach der Funktion der Gewebe. Außerdem kommen nicht allzu selten gewebliche Umwandlungen vor. So können sich z. B. Bindegewebszellen epithelial anordnen (z. B. im Eierstock; auch die Epithelauskleidungen der großen Körperhöhlen sind bindegewebiger Herkunft), oder es werden Epithelzellen zu kontraktilen Elementen (Myoepithelzellen bei Schweißdrüsen, S. 106). Es bestehen somit Übergänge zwischen den verschiedenen Gewebearten, und der Histologe muß bei der Beschreibung des geweblichen Feinbaues schematisieren und begrifflich trennen, um eine Übersicht zu gewinnen. Die Kenntnis der Erscheinungsformen der Gewebe ist eine der wichtigsten Grundlagen für die Beurteilung normaler und pathologisch veränderter Organe. Gegenüber den Geweben sind Organe, Systeme und Apparate des Organismus folgendermaßen abzugrenzen: Organe (z. B. Herz, Lunge, Magen, Leber, Niere usw.) sind Körperteile mit einer bestimmten Funktion; sie haben eine charakteristische Bauweise im Groben wie im Feinbau, sie sind gegen ihre Umgebung klar abgegrenzt und befinden sich in einer bestimmten örtlichen Lage im Organismus. Systeme dagegen sind einheitlich gebaute und funktionell zusammengehörige Einrichtungen, welche im Organismus eine ausgedehntere Verbreitung haben (Skelett-, Gefäß-, Nervensystem). Als Apparate faßt man Organ- und Systemteile zusammen, die zwar nicht einheitlich gebaut sind, aber funktionell zusammengehören (Bewegungs-, Atmungs-, Verdauungs-, Urogenitalapparat).

88

Gewebe

Abb. 2/1: Zellverbindungen. Schemata nach elektronenmikroskopischen Befunden. a) Desmosom, b) Hemidesmosom, c) tight junction, d) gap junction, e) Zellverzahnung (Interdigitation). a – Plasmalemm, b – Tonofilamente, c – Kittsubstanz, d – Basalmembran, e – Tunnelprotein. Erklärung s. Text.

2.2 Zellverbindungen

2.2.1 2.2.1.1

In einem typischen Gewebe treten die Zellen nicht als Einzelindividuen in Erscheinung, sondern sie stehen miteinander in Kontakt oder sind miteinander verknüpft. Dies erfolgt einerseits über direkte Zellverbindungen, bei denen benachbarte, spezialisierte Membranabschnitte in enge Beziehung zueinander treten, andererseits über indirekte Zellverbindungen, bei denen die Zellen über Falten der Plasmalemmata und durch Interzellularsubstanzen aneinanderhaften. Alle Zellverbindungen und Kontaktbereiche können sich wieder lösen und bei Bedarf an entsprechendem Ort neu bilden. Zellverbindungen dienen in erster Linie der mechanischen Verhaftung der Zellen und somit der Stabilisierung des Gewebsverbands; teilweise erfüllen sie aber auch Austauschfunktionen: durch die Verbindungen hindurch gelangen Ionen oder kleine Moleküle von einer Zelle zur anderen.

4 5 6

mácula (lat.) – Fleck; adhaerére (lat.) – anhaften. desmós (gr.) – Band, Bindung; sóma (gr.) – Körper. hémi (gr.) – halb.

Direkte Zellverbindungen Macula adhaerens4 oder Desmosom5

Diese Haftstellen sind scheibenförmig ausgebildet und dienen der mechanischen Verbindung benachbarter Zellen, aber auch der Verankerung intrazellulärer Tonofilamente (Abb. 2/1). Sie haben einen Durchmesser von ungefähr 0,5 µm und können u. U. im Lichtmikroskop gesehen werden. Am Ort ihres Vorkommens ist der Interzellularraum auf einen Spalt von ca. 30 nm Breite erweitert (oder eingeengt). Die beiden den Spalt begrenzenden Plasmalemmata sind von verdichtetem Cytoplasma, den Haftplatten, unterlagert. Von bzw. zu diesen Haftplatten verlaufen eine Vielzahl von Tonofilamenten (Abb. 2/2). Der Interzellularraum ist im Bereich des Desmosoms durch Glykoproteinreiche „Kittsubstanz“ verdichtet; auch sind hier transmembranöse, von der einen zur anderen Haftplatte durch die Plasmalemmata hindurch ziehende fibrilläre Strukturen lokalisierbar. Die Anordnung der Materialien läßt auf eine erhöhte mechanische Stabilitat des Zellkontakts schließen. Bei den Hemidesmosomen6 handelt es sich um nur halbseitig ausgeführte Haftstellen. Sie treten hauptsächlich an Epithelzellen auf, die der Basalmembran (s. S. 95) direkt aufsitzen (Abb. 2/1).

Zellverbindungen

89

Abb. 2/2: Ineinander verzahnte und über eine Vielzahl von Desmosomen miteinander verbundene Epithelzellen. Intermediär = Tonofilamentbündel quer geschnitten. EM. 38 300:1. Abb. 2/3: Apikaler Bereich von Mikrovilli tragenden Epithelzellen, die durch ein netzartig gestaltetes System von tight junctions miteinander verbunden werden. EM. Gefrierbruch-Technik. 48 300:1.

Als scheibenförmig ausgebildete Haftstellen verschließen die Desmosomen den Interzellularraum nur punktuell, lassen ihn also im überwiegenden Umfang offen. Somit unterbinden

7

zónula (lat.) – kleiner Gürtel, kleines gürtelförmiges Gebiet.

sie auch nicht den interzellulären „Saftstrom“, der der Ver- und Entsorgung der Zellen dient. Desmosomen-ähnliche Haftstrukturen können allerdings auch gürtelförmig ausgebildet sein; man nennt sie dann Zonulae adhaerentes7. An ihnen ist der Interzellularraum frei von Kittsubstanz und auf ca. 20 nm Breite eingengt. Sie treten hauptsächlich an oberflächenbegrenzenden Zellen (Epithelzellen) auf.

90

Gewebe

2.2.1.2

Zonula occludens8 oder tight junction9

Die Verbindung zwischen den Zellen erfolgt auch hier gürtelartig, aber unter völliger Aufgabe des Interzellularraumes: Die äußeren Proteolipid-Lamellen der gegeneinander gerichteten Plasmalemmata verschmelzen leistenartig miteinander (Abb. 2/1). Bei Anwendung spezieller Präparationsverfahren („Gefrierbruchtechnik“) erkennt man den netzartigen Verlauf mehrerer Verschmelzungslinien, die an einer Zonula occludens auftreten und, zusammengenommen, die Durchgängigkeit des Interzellularraumes unterbinden oder gegenüber einem bestimmten Medium (z. B. bei Darmepithelzellen gegenüber dem Darminhalt) abschließen – daher auch die Bezeichnung tight junction (Abb. 2/3). Diese Zellverbindungen haben also Schrankenfunktion. Auch sind sie von Bedeutung für die Ausbildung elektrischer Potentiale an oberfächenbegrenzenden Geweben (Epithelien). 2.2.1.3

Nexus10, Macula communicans11 oder gap junction12

Dies sind kleine, runde Bereiche, an denen die benachbarten Zellmembranen einander auf ca. 4 nm genähert sind, also einen Spalt zwischen sich aufrecht erhalten (Abb. 2/1). Allerdings ist dieser durchsetzt von sich berührenden, gegeneinander gestellten Membranproteinen beider Plasmalemmata. Die Proteine fungieren als Tunnelproteine und ermöglichen so den Transport kleinster Substanzen, wie Ionen und kleiner Moleküle (z. B. Glucose und Aminosäuren), von der einen zur anderen Zelle. Neben einer Stoff-Transportfunktion haben die Nexus auch Bedeutung für die Übertragung elektrischer Signale; sie stellen die Orte der interzellulären elektrischen Kopplung dar. Diese Funktionen machen insgesamt deutlich, daß die Nexus benach-

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13 14

occlúdere (lat.) – verschließen. tight (engl.) – dicht; junction (engl.) – Verbindung. néxus (lat) – Verbindung, Verknüpfung. mácula (lat.) – Fleck; communicáre (lat.) – verbinden. gap (engl.) – Lücke, Spalt; junction (engl.) – Verbindung. inter (lat.) – zwischen; digitus (lat.) – Finger. geláre (lat.) – gefrieren; gelatina (neulat.) – Gallerte.

barte Zellen zu zusammenwirkenden Einheiten verbinden.

2.2.2

Indirekte Zellverbindungen

Diese Zellverbindungen lassen, sinngemäß, keine morphologischen Strukturen erkennen, die die benachbarten Plasmalemmata direkt miteinander verbinden würden. Sie kommen dadurch zustande, daß an benachbarten Zellen die Plasmalemmata so gefaltet sind, daß jeweils der Faltenberg des einen Plasmalemms in das Faltental des gegenüberliegenden eintaucht und umgekehrt (Abb. 2/1, 2/2). Dasselbe kann auch über Zellausläufer geschehen, die dann, wie die Finger bei entsprechend gegeneinander gehaltenen Händen, miteinander verzahnt oder interdigitiert 13 sind. Diese Zellverbindungen sind verschiedentlich durch die Glykocalix stabilisiert, wie ganz allgemein der Glykocalix bzw. deren Glykoproteinen auch eine zellverbindende Funktion zufällt. Auch spielen Ca ++-Ionen für die Zellverhaftungen eine große Rolle, da sie offenbar diese stabilisierend beeinflussen.

2.3 Interzellularräume und Interzellularsubstanzen Die Zellen der Gewebe produzieren Substanzen, die als Interzellularsubstanzen in den Interzellularraum hineingegeben werden. Interzellularräume und -substanzen bestimmen den Charakter eines Gewebes entscheidend mit. So kann der Interzellularraum sehr weitläufig sein und viel Interzellularsubstanz enthalten, wie dies bei Binde- und Stützgeweben der Fall ist, er kann aber auch als enger Spalt ausgebildet sein und nur sehr wenig Interzellularsubstanz führen, wie z. B. bei Epithelgeweben. Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen und morphologischen Beschaffenheit verleihen die Interzellularsubstanzen den Geweben ihre typischen Eigenschaften wie Druckfestigkeit (z. B. die Hartsubstanz des Knochengewebes), Gel14-artige Konsistenz (z. B. die Knorpelgrundsubstanz), Zugfestigkeit (z. B. Fasersubstanzen des Sehnengewebes) u. a. Darüber hinaus enthalten die Interzellularräume bzw. -spalten die Interzellularflüssigkeit, die als Transportmedium von gro-

Interzellularräume und Interzellularsubstanzen 91

ßer Bedeutung ist: Aus ihr diffundieren Stoffwechselausgangsstoffe zu den Zellen und Stoffwechselendprodukte diffundieren von den Zellen in sie hinein. Des weiteren wird über den Interzellularraum bzw. die Interzellularflüssigkeit der Wasser- und Elektrolyt (Salz)-haushalt der Zellen geregelt. Bei bestimmten Erkrankungen kann dieses Regelsystem betroffen sein und sich zuviel Wasser in den Interzellularräumen anstauen, sodaß extrazelluläre Ödeme15 entstehen.

2.4 Entwicklungszustand der Gewebe und Gewebsveränderungen Determination. Während der Entwicklung des Organismus und damit auch der Gewebe wird u. a. die Organisationshöhe der Gewebe bestimmt: Es entscheidet sich, welche Zustandsform eines Gewebes zur Verwirklichung kommt. Dieser als „Determination“16 bezeichnete Prozeß erklärt sich so: Von der gesamten genetischen Information, die in der befruchteten, totipotenten17 Eizelle (Zygote) und auch noch in deren ersten Teilungsstadien (Blastomeren18 ) umfassend „abgerufen“ und verwirklicht werden kann, realisiert sich in den zu Geweben sich zusammenschließenden Zellen nur noch ein bestimmter Umfang an Erbinformation. Es wird also nur noch ein Teil des Erbguts funktionell umgesetzt. Hierbei ist Umfang und Art des verwirklichten genetischen Materials von Gewebeart zu Gewebeart verschieden. Die Verschiedenheit der Gewebe ergibt sich also aus einer unterschiedlichen Genaktivierung der Gewebszel-len; die Gewebe zeigen eine unterschiedliche Determination und damit verbunden eine unter-

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oídema (gr.) – Schwellung. determináre (lat.) – bestimmen. tótus (lat.) – ganz; poténtia (lat.) – Fähigkeit, „umfassend fähig“. blastós (gr.) – Sproß, Keim; merós (gr.) – Teil; hier: Furchungszelle. indúcere (lat.) – hineinführen. hypér (gr.) – über; plássein (gr.) – bilden. a- (lat.) – verneinende Vorsilbe; tréphein (gr.) – ernähren. hypér (gr.) – über; plássein (gr.) – bilden.

schiedliche Organisationshöhe. Auf die Ursachen, die eine unterschiedliche Genaktivierung an Zellverbänden bewirken, wird auf S. 38, S. 82 und S. 753ff eingegangen. Allgemein gelten die Bindegewebe als weniger hoch determiniert; Muskel- und Nervengewebe sind dagegen Gewebe mit höherer „Basisdetermination“. Diese Grundorganisationshöhe eines Gewebes kann durch Wachstumsfaktoren (engl. growth factors), die von Nachbargeweben ausgehen, „angehoben“ werden: Sie bewirken die Induktion19 „höherwertiger“ zellulärer Strukturen, die über das allgemeine Gewebsniveau hinausführen, wie z. B. die Vermehrung von Haftstrukturen in Epithelverbänden durch einen entsprechenden Wachstumsfaktor. Gewebsveränderungen. Bei erhöhter Beanspruchung passen sich die Gewebe – wohl innerhalb eines gewissen, genetisch festgelegten Spielraums – den geänderten Bedingungen an mit dem Ziel, auch künftig die vermehrt geforderten gewebsspezifischen Leistungen erbringen zu können. Nur wenig oder nicht genutzte Gewebsareale bilden sich dagegen im Laufe der Zeit zurück. Hypertrophie20. Hierbei handelt es sich um die Vergrößerung eines Gewebsareals, an das erhöhte Leistungen gestellt werden, aufgrund einer Vergrößerung der Einzelzellen. Die Volumenzunahme des Gewebes beruht also nicht auf einer Vermehrung der Zellen, wie etwa durch Erhöhung ihrer Mitose-Aktivität. Die Interzellularräume und -substanzen können unverändert bleiben oder erweitert bzw. vermehrt werden. Als Beispiel sei die Skelettmuskulatur genannt, an der sich durch entsprechendes Training eine Aktivitätshypertrophie erzielen läßt. Atrophie21. Werden an ein Gewebe keine Anforderungen mehr gestellt, wird es zurückgebaut. Dies geschieht einerseits durch Verkleinerung der Einzelzellen und Verminderung der Interzellularsubstanzen (einfache Atrophie), andererseits auch durch Reduktion der Zellzahl (numerische Atrophie). Nicht genutzte Muskulatur unterliegt der Inaktivitätsatrophie, die sich z. B. am Arm nach dessen längerer Ruhigstellung durch einen Gipsverband einstellt. Hyperplasie22. Diese führt zu einer Vergrößerung des Gewebes durch mitotische Vermeh-

92

Gewebe

rung seiner Zellen, die selbst nicht größer werden. Hyperplastisches Wachstum wird z. B. durch Wundreiz (Wundhormone), aber auch durch andere Hormone ausgelöst. Involution23. Sie ist das Gegenteil zur Hyperplasie, also die Rückbildung eines Gewebes, das z. B. durch Wegfall eines Reizes bzw. Hormones nicht mehr stimuliert wird. Als Beispiel gelte die Brustdrüse, die mit dem Abstillen – Wegfall von Saugreiz und Rückgang des Hormons Oxytocin24 – die Milchproduktion einstellt und sich zurückbildet. Metaplasie25. Diese Gewebsveränderung betrifft nicht die Zell-Anzahl, vielmehr ändert sich der Differenzierungszustand der Zellen: In der Regel geht aus höher differenziertem Zellmaterial einfacheres hervor, wie z. B. aus Kinocilien-tragendem Epithel des Atemtraktes ein mehrschichtiges Plattenepithel (vgl. S. 101). Als Ursachen hierfür kommen mechanische, aber auch chemische Reize sowie Entzündungsprozesse in Frage. Das Geschehen ist umkehrbar (reversibel) . Die Begriffe Hypoplasie26 und Aplasie27 beziehen sich nicht auf die Differenzierungshöhe und die Leistungen eines Gewebes, sondern auf ganze Organe und sind Begriffe der Entwicklungsgeschichte: Bei Hypoplasie ist ein Organ nur unvollständig ausgebildet und bei Aplasie fehlt es ganz. Beide Phänomene sind speziell für die Nieren, die Lungen und die Geschlechtsorgane bekannt geworden.

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involutión (lat.) – Rückbildung. ox ys ´ (gr.) – heftig, rasch; tókos (gr.) – Entbindung. Oxytocin veranlaßt (auch) die heftigen Kontraktionen der Gebärmutter-Muskulatur während der Geburtswehen. méta (gr.) – nach, hinter, mitten, zwischen; plássein (gr.) – bilden; hier: Umbildung. hypo- (gr.) – unter, unterhalb; plássein (gr.) – bilden; Unterentwicklung. a- (lat.) – verneinende Vorsilbe; plássein (gr.) – bilden; Nicht-Bildung, Nicht-Entwicklung. regeneráre (lat.) – wiedererzeugen, wiederherstellen. degeneráre (lat.) – entarten. epitheléin (gr.) – über etwas hin (darüber)-wachsen. Eigentlich das, was sich auf (epi, gr.) der Brustwarze (thelé, gr.) befindet.

Regeneration28. Die Fähigkeit der Gewebe, verlorengegangene Teile durch Zellneubildung bzw. Steigerung der Mitose-Aktivität nachzubilden und auszugleichen, wird Regeneration genannt. Diese betrifft im eigentlichen Sinne umfangreichere Gewebsareale, die z. B. durch Schnittverletzung verloren gegangen sind. Bei der sog. physiologischen Regeneration werden dagegen die im Verlauf der normalen Zellalterung absterbenden Zellen, ausgehend von Stamm- oder Basalzellen, durch differentielle Zellteilung (vgl. S. 36) ausgeglichen. Die Fähigkeit zur Regeneration ist bei unterschiedlichen Geweben unterschiedlich groß. Verloren gegangenes Muskelgewebe wird stets durch das weniger hoch differenzierte Bindegewebe ersetzt. Die Reparationsstelle des Muskels bleibt dann als Bindegewebsnarbe erhalten. Epithelgewebe zeichnen sich im allgemeinen durch ein gutes Regenerationsvermögen aus. Degeneration29. Bei diesem Vorgang kommt es zur Schädigung oder Verminderung der gewebsspezifischen Leistungen; Entwicklungs- (Wachstums)-, Anpassungs- und Heilungsvermögen des Gewebes bzw. seiner Zellen sind reduziert. Höherwertig differenziertes Material wird durch minderwertigeres ersetzt. Dadurch verändert sich der typische Gewebscharakter, es kommt zur Entartung des betroffenen Gewebes.

2.5 Epithelgewebe Im Epithelgewebe 30 sind die Zellen dicht aneinandergefügt, sodaß keine nennenswerten Interzellularräume zustande kommen und darin nur wenig Interzellularsubstanzen Platz finden. Insgesamt bilden die „Epithelien“, wie sie kurz genannt werden, eine mannigfach gestaltete und auch funktionell sehr unterschiedliche Gruppe von Geweben. Epithelien – bedecken und schützen äußere und innere Oberflächen des Körpers: Deckepithel, – transportieren Stoffe von einem Medium zu einem nächsten: Transport- oder auch resorbierendes Epithel,

Epithelgewebe 93

– produzieren Stoffe und scheiden diese ab: Sezernierendes oder Drüsenepithel, – sind am Aufbau von Sinnesorganen beteiligt: Sinnesepithel oder Neuroepithel, – können eigenbeweglich sein: Myoepithel, – haben Schrankenfunktion zwischen den unterschiedlichen Räumen und Medien des Körpers. Grundsätzlich sind alle Epithelien frei von Blutgefäßen. Deshalb müssen sie vom sie unterlagernden Gewebe aus, auf dem Wege der Diffusion, versorgt werden (Abb. 2/8): Die allermeisten Epithelien lagern auf einem gefäßführenden Bindegewebe, der Propria31 oder dem Propriabindegewebe. Als Grenzschicht zwischen den Geweben fungiert stets eine vom Bindegewebe und dem Epithel gemeinsam aufgebaute Basalmembran. Einerseits bietet die Basalmembran dem Epithel mechanischen Halt auf der Bindegewebs-Grundlage, andererseits ist sie permeabel (in bestimmten Bereichen auch semipermeabel) und hat damit für die erforderlichen Stoffdurchtritte zur Versorgung und Entsorgung des Epithels große Bedeutung. Die Epithelgewebe entstehen aus allen drei Keimblättern des Embryos, also aus dem Ektoderm32, Entoderm33 und dem Mesoderm34 (vgl. S. 790) Auch dies weist auf ihre Uneinheitlichkeit hin. Bei einem Teil der Epithelien wird de-

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próprius (lat.) – eigen, eigentümlich, bezeichnend; hier: „das dem Epithel eigene Bindegewebe“. ékto- (gr.) – außen, dérma (gr.) – Haut; äußeres Keimblatt. éndo- (gr.) – innen, dérma (gr.) – Haut; inneres Keimblatt. méso – (gr.) – zwischen, halb; dérma (gr.) – Haut; mittleres Keimblatt. éndo- (gr.) – innen; théle (gr.) – Brustwarze: eigentlich das, was sich im Innern der Brustwarze befindet: inneres Epithel. éndo- (gr.) – innen; cárdium (lat.) – Herz; Herzinnenhaut. -eides (gr.) – ähnlich; Epithel-ähnlich. LEYDIG, F. VON, 1821-1908, Prof. der Physiologie in Würzburg, der Zoologie in Tübingen, der vergl. Anatomie in Bonn. para (gr.) – neben, entlang

ren Entwicklungsgeschichte bei der Benennung berücksichtigt. So wird z. B. das die Bauchhöhle auskleidende Epithel, das dem Mesoderm entstammt, als Mesothel bezeichnet. Außerdem gibt es spezielle Epithelnamen, die streng Ort- oder Organ-bezogen sind, wie Endothel35 und Endocard36: Diese Epithelien begrenzen das Lumen der Gefäße bzw. des Herzens. Außer den eigentlichen Epithelien werden auch epitheloide37 Zellen und Zellverbände unterschieden: Hierbei handelt es sich um Zellmaterial „ungewöhnlicher“ entwicklungsgeschichtlicher Herkunft, das sich zu epithelartigen Verbänden zusammenlagert und Spezialfunktionen übernimmt, wie z. B. die LEY38 DIGschen Zwischenzellen des Hodens, die dem Bindegewebe entstammen und als Häufchen endokriner Zellen der Hormon-Produktion dienen (Testosteron; vgl. S. 730 und S. 732).

2.5.1

Zellverband des Epithels

Da die Epithelzellen im Gewebsverband sehr dicht aneinander gefügt sind – nur so kann z. B. ein Abschlußgewebe zustandekommen – bilden die Zellverbindungen (vgl. S. 88) ein wesentliches Charakteristikum der Epithelien. Alle Möglichkeiten der gegenseitigen Kontaktnahme und Verbindung sind zwischen den Epithelzellen in oft sehr großer Anzahl verwirklicht. Hierbei fällt besonders bei solchen Epithelien, die sehr dicht gegenüber einem bestimmten Medium abzuschließen haben, eine konsequente Abfolge von Haftstrukturen auf, die mechanisch stabilisierend wirken und die gleichzeitig den Interzellularraum gegenüber dem Medium abdichten: Dies trifft z. B. für das Epithel der Gallenblase zu, das direkt an die Gallenflüssigkeit grenzt und diese vom Interzellularraum fernhält. Lichtmikroskopisch äußern sich diese spezialisierten ZellVerhaftungszonen als ein System apikal gelegener, „abschließender“ Wülste, Schlußleisten genannt (Abb. 2/4). Einschränkend sei allerdings bemerkt, daß bei bestimmten Epithelien, trotz aller Dichtigkeit der Schlußleisten, durch diese hindurch Transportprozesse ablaufen und den sog. parazellulären39 Transportweg zulassen. Bei senkrechter Schnittführung durch das Epithel erscheinen die Schlußleisten punktförmig. Elektronenmikroskopisch erweisen sie sich als das enge Nebeneinander von tight junctions

94

Gewebe

Abb. 2/4: Schlußleiste nach a) lichtmikroskopischen und b) EM-Befunden. Schema. Bei a) ist das Schlußleistennetz in der Aufsicht (oben) und bei senkrechter Schnittführung durch das Epithel (unten) dargestellt. a – tight junction, b – gap junction, c – Interdigitation, d – Desmosom. Im Lichtmikroskop wird der rot gerasterte Bereich als einheitliches Gebilde sichtbar.

(lumenwärts gelegen), Interdigitationen der benachbarten Plasmalemmata, gap junctions und, mehr in Zellmitte gelegen, Desmosomen. Epithelien, die als dünne „Abschluß-Häutchen“ auf relativ stark bewegten Organen, wie z. B. den Baucheingeweiden, liegen und sie gegenüber der Bauchhöhle begrenzen, bestehen aus Zellen mit intensiv interdigitierten Zellmembranen, die beim Bewegungsgeschehen spiralfederartig gedehnt werden können, ohne daß die Zellverbindungen aufreißen und der Interzel-

lularraum eröffnet würde (Abb. 2/3). Wird ein solches Epithel gestaucht, dann intensiviert sich das Interdigitationsmuster entsprechend.

2.5.2

Interzellularräume

Für ein Epithel typisch sind die ca. 25 nm engen Interzellularräume, die im Verbund ein Spaltensystem bilden, über das alle Transportprozesse zu und von den Epithelzellen erfol-

Epithelgewebe 95

Abb. 2/5: Basalmembran nach a) lichtmikroskopischen und b) EM-Befunden. Schema. a – Lamina lucida, b – Lamina basalis, c – Lamina fibroreticularis.

gen. Das System der Interzellularen ist also von großer funktioneller Bedeutung, da es den „Saftstrom“ zwischen Basalmembran und Epithelzellen erlaubt. Dort, wo direkte Zellverbin-dungen bestehen, ist die Kontinuität des Interzellularraumes unterbrochen, häufig bestehen aber in deren Nachbarschaft offene Interzellularräume. Die Interzellularen können durchaus auch stark erweitert sein, besonders im basalen Bereich mehrschichtiger Epithelien, sodaß die Interzellularräume auch lichtmikroskopisch erkennbar werden. Im Interzellularraum des Epithels befindet sich neben der Interzellularflüssigkeit ein kohlenhydrathaltiges Material, das im wesentlichen identisch ist mit dem der Glykocalices, die, ebenso wie die Plasmalemmata benachbarter Zellen, gegeneinander gerichtet sind. Das GlykocalixMaterial (Grundsubstanz), kann durch vermehrte Einlagerung von z. B. Glykoproteinen verdichtet sein, so daß eine mechanisch stabilisierende Kittsubstanz zustande kommt (vgl. S. 8). Der Transport gelöster Substanzen und Ionen,

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basális (lat.) – zur Basis gehörend, an der Basis liegend; membrána (lat.) – feine Haut, die zum Schreiben präparierte Haut = Pergament. lámina (lat.) – Blatt, Platte; basális (lat.) – siehe 40. lámina (lat.) – siehe 41; dénsus (lat.) – dicht.

der im wesentlichen durch Diffusion erfolgt, wird durch die Interzellular- bzw. Grundsubstanzen nicht behindert. Aufgrund ihrer elektrischen Ladung beeinflußt die Glykocalix aber das Transportgeschehen, entweder fördernd oder hemmend.

2.5.3

Basalmembran

Zwischen einem Epithel und dem untergelagerten Bindegewebe befindet sich als Grenzschicht stets eine bis zu 1 µm dicke Lage von im Lichtmikroskop strukturlos erscheinendem, aber anfärbbarem Material, die Basalmembran40 . Im eigentlichen Sinne ist die Basalmembran eine Grenzschicht, die den Bindegewebsraum allumfassend umgibt, denn sie existiert auch zwischen Bindegewebe einerseits und Muskel- bzw. Nervengewebe andererseits. Als eine Struktur des Interzellularraums (oder der extrazellulären Matrix) bildet die Basalmembran Zellscheiden. Ihre Bezeichnung leitet sich von ihrer typischen Lage basal eines Epithels ab. Im Elektronenmikroskop erweist sich die Basalmembran als dreischichtig, wobei die mittlere Schicht besonders auffällig ist und als Basallamina41 = Lamina basalis oder Lamina densa42 bezeichnet wird (Abb. 2/5). (Heutzutage versteht man unter dem Begriff „Basallamina“ das elek-

96

Gewebe

tronenmikroskopische Äquivalent zur „Basalmembran“ der Lichtmikroskopie.) Die Basallamina ist 50-200 nm dick und besteht aus einem sehr feingesponnenen Netz aus fädigen Protein (Kollagen Typ IV; Typenbezeichnungen s. S. 114)-Filamenten, die untereinander durch amorphe Materialien, hauptsächlich Glykoproteine und Polysaccharide, verbacken sind. Hin zur Seite des Epithels (bzw. hin zum Muskeloder Nervengewebe) folgt eine insgesamt wenig strukturierte und daher hell erscheinende Zone, die Lamina lucida 43, auch Lamina rara 44 (externa), durch die vereinzelt feinfädiges Material zwischen dem Plasmalemm der auflagernden Zelle und der Basallamina verläuft. Die Lamina lucida enthält verschiedene Substanzen, die speziell der Verhaftung von Zellen mit der Basallamina dienen, wie Laminin45 und Fibronectin46 (vgl. S. 117). Auf der Bindegewebs-Seite der Basallamina schließt sich die Lamina fibroreticularis 47 an, die aus dicht gewobenen Retikulinfäserchen (Kollagen Typ III) und verdichteten Grundsubstanzen (hauptsächlich Glykoproteinen) besteht. Sie geht ohne scharfe Grenze in den Kollagen (Typ III und Typ I)-Faserfilz des Bindegewebes über und dient so der Verankerung der aneinander grenzenden Gewebe. Es bestehen jedoch große regionale Unterschiede im Hinblick auf die Dichte und Stärke der Lamina fibroreticularis; bei sehr zarten „Häutchen“ kann sie auch fehlen. Bei bestimmten, meist stark entwickelten Basallaminae ist zwischen der Lamina basalis und der Lamina fibroreticularis eine weitere „helle“ Schicht ausgebildet, die Fibronectin-reiche Lamina rara (interna). Neben den mechanischen Aufgaben hat die Basalmembran auch eine Versorgungsfunktion, zumindest gegenüber Epithelien: Da alle Epithelgewebe (mit Ausnahme eines Epithelbezirkes im Hörorgan) gefäßfrei sind, erfolgen die Stoff- und Ionentransporte zwischen dem Interzellularraum des gefäßversorgten Bindegewebes und

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lámina (lat.) – siehe 41; lúcidus (lat.) – hell, glänzend; lux (lat.) – Licht. rárus (lat.) – selten. lámina (lat.) – siehe 41; hier: Platten-Bildung bedingend; ein Glykoproteid. fíbra (lat.) – Faser; néctere (lat.) – verbinden; ein Glykoproteid. lámina (lat.) – siehe 41; fíbra (lat.) – siehe 43; reticulátus (lat.) – netzartig.

dem epithelialen Interzellularraum durch die Basalmembran hindurch. Die Basalmembran ist also permeabel und stellt nicht etwa eine undurchlässige Schranke dar, sie hat aber Einfluß auf die Diffusionsgeschwindigkeit der Metaboliten. Wahrscheinlich verhält sich die Basalmembran gegenüber bestimmten Agentien auch semipermeabel und ist somit in der Lage, eine gewisse Stoffauswahl zu treffen. Nach heutiger Auffassung wird die Basalmembran von beiden benachbarten Geweben gemeinsam aufgebaut, wobei wohl das Epithel die Initiative „ergreift“. Während die Lamina lucida dem Epithel bzw. der Glykocalix der Epithelzellen entstammt, sind die bindegewebsähnlicheren Abteilungen der Basalmembran Bildungen des Bindegewebes.

2.5.4

Form und Oberflächengestaltung von Epithelzellen

Die Form und Größe von Epithelzellen ist sehr variabel; in der Regel sind sie aber immer „nach oben und unten“ polar gegliedert. Dieser morphologischen Polarität entspricht auch eine physiologische. Je nach Epitheltyp und Funktion des Epithels bzw. seiner einzelnen Zellen sind die Zellen plattenartig, kubisch, zylindrisch, langgestreckt, becherförmig oder polyedrisch ausgebildet. Besonders in dicken, mehrschich-tigen oder mehrreihigen Epithelien wechselt die Form und Größe und auch der funktionelle Differenzierungszustand der Zellen von basal nach apikal. Epithelzellen, die hauptsächlich Stofftransporte durchführen, zeigen charakteristische Aus- und/ oder Einstülpungen ihres Plasmalemms, so daß insgesamt eine sehr deutliche Oberflächenvergrößerung an den Zellen zustande kommt und so die Stoffaustauschflächen der Zellen vergrößert werden. In der Regel umgeben diese Strukturen die Zellen nicht allseitig, sondern treten in regionaler Häufung auf, meist allerdings apikal (Mikrovilli, Stereocilien), seltener basal oder baso-lateral (basales Labyrinth). Epithelien, die an ihrer Oberfläche ein z. B. schleimhaltiges Medium transportieren, besitzen einen Kinociliensaum, also eine Vielzahl eigenbeweglicher Zellfortsätze.

Epithelgewebe 97

2.5.4.1

Mikrovilli

Mikrovilli48 sind fingerförmige Ausstülpungen der Zelle bzw. des Plasmalemms, die im Epithelverband die apikale, freie Zelloberfläche besetzen. In der Regel sind sie walzenförmig und haben eine Länge von bis zu 2 µm; ihr Durchmesser beträgt ca. 100 nm (Abb. 2/3 und 2/6). Vereinzelt stehende Mikrovilli können verschwinden und bei Bedarf neu entstehen. Lichtmikroskopisch sind sie nicht wahrnehmbar. Stehen jedoch die Mikrovilli dicht gedrängt und in relativ strenger Ordnung, dann bilden sie einen

c

Abb. 2/6: Mikrovilli und Stereocilien (rechts). Schema. a – Mikrofilamente, bei b – terminales Netz bildend; c – Glykocalix. – Im linken Teilbild ist der rechts stehende Mikrovillus kontrahiert dargestellt.

Bürstensaum, der sich lichtmikroskopisch als ein den Zellen apikal „aufgelagerter“ Streifen abzeichnet. Bürstensäume sind örtlich festliegende Strukturen, die bei resorbierenden Epithelien, wie dem Dünndarm- oder NierenHauptstückepithel (vgl. S. 428 bzw. S. 473), immer entwickelt sind (vgl. Farbtafeln 12b und 13b, S. 443 und S. 477). Die Mikrovilli hochdifferen-

48 49

micrós (gr.) – klein, gering; víllus (lat.) – Zotte. terminal web (engl.) – endständiges (am apikalen Zellende befindliches) Netz.

zierter Bürstensäume zeigen die Besonderheit, daß ihr Cytoplasma Actin-Filamente in paralleler Längsordnung enthält, die mit mehr oder weniger parallel zur allgemeinen Zelloberfläche netzartig verwobenen Mikrofilamenten (Actinund Myosinfilamente) in Kontakt stehen. Dieses terminal web49 sowie die Mikrofilamente der Mikrovilli selbst veranlassen Kleinbewegungen innerhalb des Bürstensaums, indem die Filamente sich gleitend gegeneinander verschieben. Hierdurch werden die Resorptionsvorgänge erleichtert. Auch die Glykocalix, die allseitig das Plasmalemm eines Mikrovillus umgibt, fördert das Resorptionsgeschehen aufgrund ihres Ver-

98

Gewebe

mögens, bestimmte Stoffgruppen zu erkennen (vgl. S. 8). 2.5.4.2

Stereocilien50

Diese Gebilde stehen den Mikrovilli sehr nahe; sie werden auch als eine spezielle Form derselben bezeichnet (Abb. 2/6). Deshalb müßten sie eigentlich Stereovilli heißen, denn sie sind nicht, wie das für (Kino)cilien der Fall ist, eigenbeweglich. Stereocilien sind bis zu 8 µm lang und ca. 100 nm breit. Sie stehen in Büscheln zusammen, können geteilt sein und miteinander Anastomosen51 bilden. Sie kommen am Epithel des Nebenhodenganges (vgl. S. 733) vor und dienen – als oberflächenvergrößernde Strukturen – wahrscheinlich Resorptions- und Sekretionsvorgängen. 2.5.4.3

Basale Faltenbildungen

Epithelzellen, die im Dienst umfangreicher Transportprozesse stehen, wie z. B. die Epithelzellen der Nieren-Hauptstücke (vgl. S. 473 u. 475), fallen durch starke Faltenbildungen an ihrer Basis auf. Die Epithelzellen sind in direkter Nachbarschaft zur Basalmembran, teils auch in ihrem seitlichen Bereich, in eine Vielzahl Villusähnlicher und vom Plasmalemm begrenzter Basalfüßchen gegliedert, zwischen denen der Interzellularraum nurmehr als schmales Spaltensystem existiert. Benachbarte Zellen sind durch ineinandergreifende Füßchen interdigitiert. Insgesamt bringen die Falten und Füßchen eine deutliche Vergrößerung der basalen Zelloberfläche zustande und bewirken gleichzeitig die Kompartimentierung des Interzellularraums zum basalen (teilweise auch: basolateralen) Labyrinth52 . Diese vergrößerte basale Zelloberfläche erleichtert die Abgabe von Wasser, Ionen und Metaboliten, die am entgegengesetzten Zellpol, also am Bürstensaum der Zelle, aufgenommen wurden und die durch den Zelleib hindurch zum basalen Labyrinth zu transportieren sind. (Von hier aus gelangt der Flüssigkeits-Strom durch die Basalmembran in das Interstitium des Bindegewebes und dann in eine Blutkapillare: 50 51

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stereós (gr.) – starr; cília (lat.) – Wimper. stóma (gr.) – Mündung; anastomoún (gr.) – die Mündung öffnen. Eigentlich Gefäßverbindung, aber auch allgemein für Querverbindung gebraucht. labyrinthos ´ (gr.) – Irrgang, Labyrinth.

Rückresorption, vgl. S. 337). Die in diesen Epithelzellen ablaufenden Transportprozesse sind energieabhängig. Die Zellen enthalten daher viele Mitochondrien, die sich im Cytoplasma der Basalfüßchen aufreihen und so die lichtmikroskopisch erkennbare „basale Streifung“ der Zellen verursachen. 2.5.4.4

Kinocilien und Geißeln

Kinocilien sind eigenbewegliche Zellfortsätze, die an Oberflächen von Epithelzellen auftreten und durch ihren metachronen Schlag einen Flüssigkeits-Strom bewirken. Ihr Aufbau (und der von Geißeln) und ihre Arbeitsweise sind auf S. 18 hinreichend beschrieben. Kinocilien kommen am respiratorischen Epithel des Atemtraktes vor, wo eine Epithelzelle zwischen 200 und 300 Kinocilien trägt. Außerdem besetzen Kinocilien das Epithel des Eileiters. – Die einzigen Geißel-besitzenden Zellen des Menschen sind die Spermien, wobei jede Samenzelle nur eine Geißel hat.

2.5.5

Klassifizierung der Epithelien

Die Epithelien werden aufgrund morphologischer und funktioneller Unterschiede in zwei Haupt- und zwei kleinere Nebengruppen eingeteilt: Neben Oberflächen- oder Deckepithelien und Drüsenepithelien werden als Nebengruppen Sinnes- oder Neuroepithelien und Myoepithelien unterschieden. Die erste Hauptgruppe ist relativ unscharf gefaßt, da innerhalb oberflächenbedeckender Epithelien durchaus eine größere Anzahl von Drüsenzellen liegen kann, wie das Beispiel des Dickdarm-Epithels zeigt. 2.5.5.1

Oberflächen- oder Deckepithelien

Alle äußeren und inneren Oberflächen des Körpers werden von flächenhaft ausgebreitetem epithelialem Deckgewebe abgeschlossen: Haut, Atemwege, Verdauungskanal, Harn- und Geschlechtswege. Auch die Blut- und Lymphgefäße sowie die Körperhöhlen (Bauchfell-, Brustfell- und Herzbeutelspaltraum) sind epithelial ausgekleidet. Die Deckepithelien stellen Grenzschichten dar, die gegenüber den darunter liegenden Geweben bzw. dem gesamten Organismus eine Schutzfunktion haben. Darüber hinaus erfolgen die Vorgänge der Stoffaufnahme

Epithelgewebe 99

Abb. 2/7: Oberflächenbedeckende Epithelien. Schema. a) – c) einschichtige Epithelien; a) Platten-, b) kubisches, c) zylindrisches Epithel (mit Stäbchensaum); d), e) mehrreihige Epithelien: d) kinocilientragendes (Flimmer-) Epithel, e) Übergangsepithel mit Deckzellen; f), g), mehrschichtige Epithelien: f) unverhorntes, g) verhorntes Plattenepithel. Bei c und d sind auch Becherzellen, einzellige intraepitheliale Drüsen, dargestellt. Außer den Epithelien sind jeweils das unterlagernde (Propria-) Bindegewebe mit Blutkapillaren und bis ins Epithelgewebe aufsteigende Nervenfasern (gelb) dargestellt.

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Gewebe

(Resorption53) und Stoffabgabe (Sekretion54) an Epithelien oder durch epitheliale Schranken hindurch. Die Unterteilung der Deckgewebe erfolgt nach ihrem Schichtbau und der Form der Zellen (Abb. 2/7). Einschichtige Epithelien. Das einschichtige Plattenepithel besteht aus einer einzigen Lage flacher Zellen, deren rundlich umgrenzte Kerne gleichfalls stark abgeplattet sind. Es liegt samt der Basalmembran auf einer bindegewebigen Grundlage (Abb. 2/7, 2/8). Im entspannten Zustand sind die Zellgrenzen, die man mit Silbernitratlösung sichtbar machen kann, ineinander verzahnt und unregelmäßig, bei Dehnung werden sie in der Dehnungsrichtung ausgezogen. Ein besonders schönes Beispiel hierfür ist das Epithel (Mesothel) des Bauchfells. Die Gefäßendothelien und die Epithelien der Lungenbläschen sind genauso gebaut. Meist überlappen sich die Ränder dieser Zellen. Sind die Epithelzellen so hoch wie breit, spricht man von einem (einschichtigen) kubischen Epithel. Die Zellkerne sind hierin meist kugelig (Abb. 2/7). Ein Beispiel dafür ist das Epithel der Schilddrüsenfollikel (Abb. 16/5, S. 713) und das der Nierenkanälchen (Abb. 12/3, S. 473, und Farbtafel 13, S. 477). Sind die Zellen höher als breit, so liegt ein hochprismatisches oder Zylinderepithel vor (Abb. 2/7, 2/8), dessen Zellkerne der Form der Zellen entsprechend meist auch länglich gestreckt sind; doch kommen Ausnahmen mit runden und platten Kernen vor. Solches Zylinderepithel kleidet unter anderem den Magen-Darm-Kanal (Farbtafel 12, S. 443) und die Gallenblase aus. Sowohl beim einschichtigen kubischen wie beim einschichtigen zylindrischen Epithel reicht die Versorgung der Zellen von dem darunter gelegenen Bindegewebe durch die Basis der Zellen hindurch nicht aus. Deshalb befinden sich zwischen den Zellen feinste, von Interzellularflüssigkeit erfüllte „Saftlücken“, in denen die Nährstoffe auch von der Seite her an die Zellen gelangen und durch die die Zellprodukte oder resorbierte Stoffe abtransportiert werden können. Die Saft-

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54

55 56

sórbere (lat.) – verschlucken, aufnehmen; resorbére – wiederaufnehmen. secérnere (lat.) – abscheiden, „sezernieren“; secrétum (lat.) – Abgeschiedenes. respiráre (lat.) – atmen. uron (gr.) – Harn

spalten sind oberflächenwärts durch ein Schlußleistennetz abgedichtet.

Mehrreihige Epithelien. Bei diesen Epithelien, die relativ dick sein können, sind die Zellen unterschiedlich hoch, sie erreichen aber alle mit ihrer Basis die Basalmembran (Abb. 2/7, 2/8). Allerdings liegen die Zellkerne auf verschiedenen Höhen und bilden einigermaßen deutlich erkennbare Zellkern-Reihen; man spricht daher von zwei- oder mehrreihigen Epithelien. Die Atemwege sind von dieser Epithelart ausgekleidet. Aufgrund spezieller Gestaltung oder Funktion wird das dortige Epithel „mehrreihiges hochprismatisches Flimmerepithel“ oder „respiratorisches55 Epithel“ (vgl. S. 360) genannt. Eine besondere Form des mehrreihigen Epithels ist das Übergangsepithel, das die ableitenden Harnwege, also Umfänge des urologischen Systems (Nierenbecken, Harnleiter, Harnblase, oberer Abschnitt der Harnröhre) auskleidet und daher auch Urothel56 genannt wird (Farbtafel 13, Abb. 2/7, 2/8). In leerem oder entspanntem Zustand der Organe und damit auch des Epithels sind die Zellen schlank und unterschiedlich hoch, so daß die Zellkerne in mehreren Reihen übereinander zu liegen scheinen. Bei Füllung bzw. Dehnung des Organs wird das Epithel durch Umformung der Zellen niedriger, so daß nur noch wenige Kernreihen übereinander liegen. Das Epithel geht somit, in Abhängigkeit vom Füllungszustand des Organs, von der einen in die andere Zustandsform über. Die mittleren und oberflächlichen Zellen haben in der Mehrzahl tetraploide Zellkerne, die

Abb. 2/8: Oberflächenbedeckende Epithelien. a) einschichtiges Plattenepithel auf straff organisiertem Bindegewebe (inneres Cornea-Epithel). Die Lage des Epithels wird durch die Reihe seiner Zellkerne verdeutlicht. 820:1. b) einschichtiges Plattenepithel in der Aufsicht. Die Zellen sind miteinander verzahnt (interdigitiert). Häutchenpräparat, Großes Netz 480:1. c) einschichtiges, hochprismatisches Epithel mit Schließleisten; diese sind links flach angeschnitten. Gallenblase; 480:1. d) einschichtiges hochprismatisches Epithel mit Bürstensaum und Becherzellen. Dünndarm; 480:1. e) mehrschichtiges, unverhorntes Plattenepithel. Speiseröhre; 130:1. f) mehrschichtiges verhorntes Plattenepithel. Fußsohle; 130:1. g) mehrreihiges kinocilientragendes Epithel mit Becherzellen; respiratorisches Epithel der Luftröhre; 480:1. h) mehrreihiges Übergangsepithel mit Deckzellen und Crusta. Eine Deckzelle ist zweikernig. Harnleiter; 480:1.

Epithelgewebe 101

102 Gewebe

apikalen, pilzförmig auflagernden und besonders großen Zellen sind regelmäßig dienergid, haben also einen insgesamt 8fachen Chromosomensatz (Farbtafel 13, S. 477). Die Vermehrung des genetischen Materials beruht sicher darauf, daß diese Zellen vermehrt protektive Substanzen (hauptsächlich Glykolipide) synthetisieren: Diese stauen sich im oberflächennahen Cytoplasma in Membranen und Vesikeln an und bilden als Crusta57 eine wirksame Diffusions-Barriere gegenüber dem hypertonen, aggressiven Harn. Mehrschichtige Epithelien. Sind nicht alle Zellen mit der Basalmembran verbunden, so sprechen wir von mehrschichtigem, vielschichtigem oder auch geschichtetem Epithel. Dabei ist für die weitere Unterscheidung die Form der obersten Zellage maßgebend. Ein mehrschichtiges Zylinderepithel bzw. mehrschichtiges kubisches Epithel kommt beim Menschen in der Augenbindehaut und der Harnröhre vor. Hier sind die Zellen bis zur Oberfläche hin zylindrisch oder kubisch. Bei den meisten vielschichtigen Epithelien aber platten sich die Zellen in den oberen Lagen ab, weshalb sie als geschichtete Plattenepithelien bezeichnet werden. Bei ihnen sind die basalen Zellen von zylindrischer Gestalt. Das Stratum basale wird daher auch Stratum cylindricum58 genannt. Darüber liegen in mehreren Schichten rundliche Zellen, die durch die Interzellularspalten hindurch miteinander viele Kontaktstellen (Desmosomen) haben (Abb. 2/2 und 2/7). Bei künstlicher Isolierung der Zellen bleiben kleine, spitze Fortsätze, die in Desmosomen endeten, erhalten und geben den Zellen ein stachliges Aussehen, weshalb diese Schicht Stachelzellschicht (Stratum spinosum59) heißt. In den beiden bisher genannten Schich-

ten findet die Zellvermehrung durch mitotische Teilung statt; sie werden deshalb als Keimschicht (Stratum germinativum60) zusammengefaßt. Weiter oben platten sich die Zellen ab und rücken näher aneinander. Ab hier findet keine Zellteilung mehr statt. Verhornt das Epithel nicht, dann bleiben die Zellkerne bis obenhin erhalten und es liegt ein unverhorntes geschichtetes Plattenepithel vor, wie es typisch ist für die („ku-tanen“) Schleimhäute in der Mundhöhle, dem Rachenraum, der Speiseröhre und der Scheide (Abb. 2/ 8). Beim verhornten Plattenepithel der äußeren Haut hingegen werden die Zellkerne oberhalb der Stachelzellschicht aufgelöst (Abb. 2/8). Durch Einlagerung von Keratohyalin (einem Nebenprodukt des Verhornungsvorganges) in Form von unregelmäßig geformten, gut färbbaren Körnchen in das Cytoplasma wird die Körnerschicht (Stratum granulosum61) gebildet. In der darüber liegenden Zellschicht fließen die Körnchen zu einer stark lichtbrechenden Masse unter Bildung der Glanzschicht (Stratum luci-dum62) zusammen, über der dann die mehr oder weniger dicke Hornschicht (Stratum corneum63 ) liegt. Der Zusammenhalt der Zellen wird in den mehrschichtigen Epithelien ganz wesentlich gestützt durch die reichlich vorhandenen Tonofilamente, die zu den Desmosomen ziehen und, über interzelluläre Kittsubstanz verbunden, in den Tonofilamenten der gegenüberliegenden Zelle ihre funktionelle Fortsetzung finden. Das Tonofilament-System sichert aufgrund seiner Scherengitter-Anordnung (vgl. S. 20) das Epithel gegen Schub-, Scher-, Zug- und Druckkräfte. Bei Zellen, die zur Verhornung anstehen, sind die Tonofilamente sehr stark vermehrt; sie sind mit ein Bestandteil der Hornsubstanz (vgl. Haare S. 499, Nägel S. 500). 2.5.5.2

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crústa (lat.) – Kruste. Eine Crusta liegt immer intrazellulär, im Gegensatz zu einer Cutícula (lat. – Häutchen), die als Abscheidung der Zelle dieser aufliegt (vgl. S. 542). strátum (lat.) – Schicht. spína (lat.) – Stachel; spinósus – dornenvoll. germináre (lat.) – erzeugen. gránum (lat.) – Korn; granulum – Körnchen; granulósus – körnchenvoll. lúcidus (lat.) – scheinend. córneus (lat.) – hornig. ex- (lat.) – (her)aus, secrétum (lat.) – Abgeschiedenes.

Drüsenepithelien

Jede Zelle hat ihren eigenen Stoffwechsel und scheidet dabei Abfallprodukte aus. Die Zellen einiger Organe (Niere, Dickdarm) dienen aber zusätzlich der speziellen Ausscheidung im Körper nicht mehr benötigter und schädlicher Stoffe, der Exkrete64 . Dies ist von Bedeutung im Hinblick auf die Abgrenzung von Drüsen bzw. Drüsenzellen, die ebenfalls Stoffe produzieren und abscheiden, wobei aber diese Produkte vom Körper weiterhin für besondere Aufgaben gebraucht werden: Drüsen produzieren Sekrete, die nicht am Ort ihrer Entstehung,

Epithelgewebe 103

Abb. 2/9: Sekretabgabe bei exokrinen Drüsen. Schema. a) apokrine, b) c) merokrine, d) holokrine Sekretion. a – Prosekretgranula, b – Zellbildungszone, c – Ausführungsgang.

sondern an einem anderen Ort des Organismus eine spezielle Wirksamkeit haben. Sekrete werden durch den Vorgang der Sekretion gebildet und abgegeben. Die Sekretbildung ist in der Regel als eine Synthese von Makromolekülen anzusehen, bei der in vielen Fällen Eiweißstoffe mit Mehrfachzuckern oder Lipiden zu hochkomplizierten Verbindungen wie Glykoproteinen, Proteoglykanen, Proteolipiden etc. zusammengefügt werden. Diese Drüsenzellen haben daher ein sehr gut entwickeltes Ergastoplasma, das auf ultrastruktureller Ebene als rauhes endoplasmatisches Reticulum (rER) bekannt ist. Bestimmte Sekrete bestehen ganz aus Proteinen oder auch Lipiden. Die gebildeten Sekrete werden, bevor sie in den Extrazellularraum entlassen werden, meist innerhalb der Zellen in kleinen Tropfen (Transport-Bläschen) gestapelt, die als Prosekretgranula65 bezeichnet werden und die die Abgabeseite einer Zelle oftmals dicht besetzen. Die Sekretabgabe ist in den meisten Fällen ein normaler Exocytoseprozeß; bei einem Teil der Drüsen zerfallen aber die Sekretproduzenten selbst und geben so ihre Produkte frei. Dreierlei Formen der Sekretabgabe werden unterschieden:

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pro- (gr.) – vor (zeitlich); secrétum (lat.) – Abgeschiedenes; granulum (lat.) – Körnchen. méros (gr.) – Teil; krínein (gr.) – scheiden, trennen. ek (gr.) – heraus. apó (gr.) – von weg.

Merokrine66 (früher ekkrine67) Sekretion. Die Drüsenzellen scheiden sehr kleine Sekretgranula aus, ohne daß dabei der Zelle Anteile des Cytoplasmas verloren gehen (Abb. 2/9). Die Membranen der Prosekretgranula fusionieren beim Exocytose-Geschehen mit dem Plasmalemm, so daß die Zelle keinen Membranverlust hat. Auf diese Weise arbeiten die Schweißdrüsen, die großen und kleinen Drüsen des Darmkanals, die Speicheldrüsen u. a. Apokrine68 Sekretion. Hierbei wird das Sekret in Form größerer, lichtmikroskopisch erkennbarer Tröpfchen zusammen mit Anteilen des apikalen Cytoplasmas abgeschnürt (Abb. 2/9). Da die Sekrettröpfchen membrangebunden sind, arbeitet dieser Modus mit Membranverlust. Apokrin sezernieren die Milchdrüsen und die

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Gewebe

Duftdrüsen der Haut (nicht die „normalen“ Schweißdrüsen, vgl. oben). – Apokrin arbeitende Drüsenzellen gleichen den Verlust an Cytoplasma- bzw. Membrananteilen durch Neusynthese aus, sie bleiben also (wie auch merokrine Drüsenzellen) am Leben. Dies ist für Drüsenzellen nicht generell der Fall:

Mucöse71 Drüsenzellen synthetisieren ein zähflüssiges, Schleim(Mucin)-haltiges Sekret, das nur wenig Eiweiße (Enzyme) enthält. Die abgeflachten, scheibenförmigen Zellkerne sind durch relativ große Sekretgranula nach basal abgedrängt und scheinen direkt auf dem Plasmalemm zu liegen (Abb. 2/9).

Holokrine69 Sekretion. Ähnlich wie beim Abschilfern der Haut werden die ganzen Zellen als Sekret abgestoßen. Die Drüsenzellen bilden einen mehrschichtigen, regenerationsfähigen Epithelverband, in dem die Mitose-fähigen Zellen direkt auf der Basalmembran liegen. Auf diese folgen die „unreifen“ kleinvakuolären basalen Talgzellen. Nach apikal schließen sich größere bis sehr große Zellen an, die durch Zusammenfließen vieler kleiner Tröpfchen mehrere große Fettvakuolen enthalten und daher wabig aussehen. Ganz apikal liegen die „reifen“ abschilferungsbereiten Zellen: In der Gegend des Drüsenausführganges (s. unten) werden die Zellkerne pyknotisch (s. S. 40), die Zellen platzen und alle ihre Anteile verschmelzen miteinander. Die Bestandteile der abgestorbenen Zellen und die Zellprodukte bilden zusammen das als Talg abgehende Sekret.

Gemischte Drüsen enthalten sowohl seröse als auch mucöse Drüsenzellen: Seromucöse Drüsen.

Aufgrund der Konsistenz der gebildeten Sekrete werden, speziell bei den exokrinen (s. u.) Speicheldrüsen, seröse und mucöse Drüsenzellen unterschieden: Seröse70 Drüsenzellen stellen ein dünnflüssiges, eiweißreiches (= enzymreiches) Sekret her. Sie besitzen ein basal liegendes sehr gut entwickeltes Ergastoplasma; ihre Zellkerne sind rund und liegen im basalen Zelldrittel oder in der Zellmitte; im apikalen Cytoplasma befinden sich viele Prosekretgranula (Abb. 2/9).

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hólos (gr.) – ganz. sérum (lat.) – ursprünglich Molke, eiweißhaltige Flüssigkeit; serósus – flüssig. múcus (lat.) – Schleim; mucósus – schleimig. stróma (gr.) – Ausgebreitetes, Spreu, Lager; hier: Bindegewebsgerüst eines Organs. parénchyma (gr.) – „Danebenhineingegossenes“; hier: das besondere Leistungen vollbringende Gewebe der Drüsen. éxo- (gr.) – nach außen; krínein (gr.) = secérnere (lat.) – absondern, abscheiden.

Nach der Anzahl der im Gewebsverband eine Drüse bildenden Drüsenzellen unterscheidet man einzellige und vielzellige Drüsen. Zu den einzelligen Drüsen zählen die mucösen Becherzellen (Abb. 2/7, Farbtafel 12, S. 443), die z. B. im Dünndarm-Epithel und im respiratorischen Epithel vorkommen. Da diese Zellen im Verband eines Deckepithels gelegen sind, werden sie auch als intraepitheliale Drüsen bezeichnet. Starke Vermehrung der Drüsenzellen führt zum Zustandekommen mehrzelliger intraepithelialer Drüsen, z. B. im Epithel des Nasenraumes. Ausgehend von solchen intraepithelialen Zellhaufen entwickeln sich teilweise sehr umfangreiche Drüsenkörper, die aufgrund ihres Wachstums im Epithel keinen Platz mehr finden und daher in das dem Epithel untergelagerte Bindegewebe hineinwachsen: Es bilden sich vielzellige, extraepitheliale Drüsen, die den Status selbständiger Organe erreichen können, wie dies bei Leber und Bauchspeicheldrüse der Fall ist (vgl. S. 416). Das Bindegewebe bleibt innerhalb großer Drüsen als Leitstruktur für Gefäße und Nerven erhalten und dient auch der Abgrenzung von Drüsenlappen; um die Gesamtdrüse herum bildet es eine Organkapsel. Diesen bindegewebigen Drüsenanteil, der keine organspezifischen Leistungen erbringt, nennt man Stroma72; die epitheliale Komponente der Drüse, das Parenchym73, ist dagegen für die organspezifischen Leistungen zuständig. Bei der Entwicklung extraepithelialer vielzelliger Drüsen bleibt die Drüsenanlage und in vielen Fällen auch die entwickelte Drüse mit dem Oberflächenepithel verbunden: Das zu einem schlauchförmigen Kanal geschlossene Absenkungsepithel fungiert dann als Ausführungsgang für das gebildete Drüsensekret; Drüsen mit Ausführungsgang werden als exokrine74 Drüsen bezeichnet. Exokrine Drüsen leiten also ihr Produkt über einen speziellen Ausführungsgang (bzw. häufig ein

Epithelgewebe 105

Abb. 2/10: Formen exokriner Drüsen. Schema. (Die unterschiedlich großen Drüsenumfänge sind nicht maßstabgleich dargestellt.) a) kurzer Drüsenschlauch = kurze tubulöse Drüse, b) lange, aufgeknäulte, tubulöse Drüse, c) verzweigt-tubulöse Drüse, d) acinöse, e) alveoläre Drüse, a – Ausführungsgang.

baumartig gestaltetes Ausführungsgangsystem) auf eine äußere oder innere Körperoberfläche ab, wo das Sekret dann seine biologische Wirkung erzielt. Auch das Epithel des Ausführungsgangsystems übernimmt bei bestimmten Drüsen spezielle Aufgaben: z. B. ist das der Speicheldrüsen befähigt, die Ionenzusammensetzung des Speichels zu kontrollieren und zu verändern. Wird während der Drüsenentwicklung das Absenkungsepithel abgebaut, dann resultiert eine Drüse ohne Ausführungsgang: Es liegt eine endokrine75 Drüse vor (vgl. S. 703). Diese Drüsen bilden sich allerdings auch aus anderen als epithelialen Geweben, z. B. aus Binde- und Nervengewebe. Die Produkte endokriner Drüsen bezeichnete man früher als Inkrete 76 – heute Hormone77 genannt –, da sie innerhalb der Drüse in die Blut (oder Lymph)-Bahnen überführt und mit dem Blut (oder Lymph)-Strom an den Be75 76

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éndo- (gr.) nach innen; vgl. 70. in (lat.) – (hin)ein; (se)crétum (lat.) – Abgeschiedenes. hormán (gr.) – antreiben, anregen. túbulus (lat.) – Röhrchen. ácinus (lat.) – Beere; am ehesten einer Weinbeere zu vergleichen, deren Stiel entfernt ist. álveus (lat.) – Aushöhlung, Kahn; alvéolus – Höhlchen. Auch die Lunge hat einen alveolären Bau; die terminalen Luftwege sind von einer Vielzahl kleiner Alveolen besetzt (s. S. 369).

darfsort verfrachtet werden. Aufgrund dieses Zusammenhangs sind die Hormondrüsen stets gut durchblutet, d. h. reich an Gefäßen. Exokrine und endokrine Drüsenanteile können auch nebeneinander vorkommen. Dies gilt z. B. für die Bauchspeicheldrüse (vgl. S. 430 u. S. 724), in der der exokrine Anteil den an Verdauungsenzymen reichen Bauchspeichel produziert, die endokrinen Inselzellen bilden dagegen u. a. die Hormone Insulin und Glucagon. Exokrine Drüsen sind auch nach der Form ihrer sezernierenden Drüsenanteile, den Drüsenendstücken, zu unterscheiden (Abb. 2/10). Bei den tubulösen78 Drüsen bilden die sezernierenden Epithelien entweder kurze, unverzweigte Schläuche, wie z. B. im Dickdarm (Abb. 2/10), oder recht lange, aufgeknäuelte Röhren, wie bei den Schweißdrüsen der Haut (Abb. 2/10). Bei ihnen sezerniert aber die Verbindung zwischen dem Drüsenknäuel und der Oberfläche nicht mehr, sondern ist nur noch Ausführungsgang, durch den das Sekret des Drüsenknäuels abgeleitet wird. Eine stark verzweigte tubulöse Drüse ist die Tränendrüse (Abb. 2/10). Bei einem Teil der Drüsen bilden die schlauchförmigen Anteile lediglich das Ausführungsgangsystem, dem die sezernierenden Endstücke „aufgesetzt“ sind. Englumige, beerenförmige Endstücke nennt man Acini79; diese sind typisch für acinöse Drüsen (Abb. 2/10). Bei al-veolären Drüsen gleichen die Endstücke kleinen Ballons, Alveolen80 genannt (Abb. 2/10). Bei einigen

106 Gewebe

Drüsen kommen unterschiedliche Endstückformen nebeneinander an einem verzweigten Ausführungsgangsystem vor. So ist z. B. die Unterzungen-Speicheldrüse tubulo-aci-nös. Meist sind die merokrinen Drüsen acinös, die apokrinen alveolär gebaut, denn die mero-krinen produzieren stetig Sekret, das laufend abfließen kann, die apokrinen aber müssen plötzlich viel Sekret abgeben, das sie vorher in den Lichtungen gespeichert haben. Dementsprechend sind z. B. die Anhangsdrüsen der männlichen Fortpflanzungsorgane und die Milchdrü-sen alveolär. 2.5.5.3

Sinnesepithelien

Man unterscheidet zwei Typen von Sinnesepithelien, die anhand zweier Beispiele erläutert werden sollen: Im Bereich des mehrschichtigen unverhornten Plattenepithels der Zunge treten an bestimmtem Ort langgestreckte Epithelzellen auf, die einen insgesamt eigenständigen knospenförmig erscheinenden intraepithelialen Zellverband bilden. Die Zellen dieser Geschmacksknospen – so genannt, weil die Organe im Dienst der Geschmackswahrnehmung stehen – sind an ihrer Basis über Synapsen81 mit Nervenfasern verbunden; diese Zellen gelten deshalb als sekundäre Sinneszellen. Sie erkennen an ihrem apikalen Zellpol bestimmte Geschmacksstoffe und übermitteln an ihrer Basis die entstandenen Impulse an das Nervensystem. Die Sinneszellen der Geschmacksorgane bilden also kleine Sinnesepithelien. Ganz ähnlich sind die mechanorezeptorisch tätigen Sinnesepithelien des Hörund Gleichgewichts-Organs aufgebaut. Es gibt aber auch mechanorezeptorisch tätige Epithelzellen, die meist vereinzelt in der Basalschicht eines mehrschichtigen Epithels liegen. Eine zweite Möglichkeit, ein Sinnesepithel aufzubauen, ist in der Riechschleimhaut verwirklicht: hier liegen, zu einem mehrreihigen hochprismatischen Epithel dicht zusammengedrängt, Nervenzellen beieinander, die lange Ausläufer 81

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synápsis (gr.) – Verbindung; von syn – zusammen und (h)áptein – halten; hier: spezialisierte Kontaktzone des Nervengewebes. myós (gr.) – Maus, Muskel bedeutend; hier: Muskelepithelzelle. mesenchéein (gr.) – dazwischen, hineingießen. mátrix (lat. – Mutterboden, Hülle; vgl. Matrize.

haben, die direkt in das Gehirn hineinführen. Diese Nervenzellen haben also an ihrer Basis keine Synapsen, sie übermitteln die Impulse direkt an das Zentralnervensystem und gelten deshalb als primäre Sinneszellen. Der Verband aus solchen Zellen wird auch Neuroepithel genannt. 2.5.5.4

Myoepithelien

Die Endstücke von z. B. Brust- und Schweißdrüsen beinhalten Myoepithelzellen82 , die sich zwischen der Basalmembran und den Basen der Drüsenzellen als entweder langgestreckte spindelförmige oder auch sternförmig gegliederte Zellen einzwängen (Abb. 13/4, S. 503). Ihr Cytoplasma ist reich an Actin- und Myosin-Mikrofilamenten; Myoepithelzellen erinnern in ihrem Bau an glatte Muskelzellen (vgl. S. 176). Sie sind über Desmosomen mit den Drüsenzellen verhaftet und auch zum untergelagerten Bindegewebe bestehen Kontakte. Bei ihrer Verkürzung verursachen sie Bewegungen an den Drüsenzellen, die den Sekretionsvorgang, speziell die Sekretausschleusung, unterstützen. – Von entwicklungsgeschichtlicher Bedeutung ist, daß die Myoepithelzellen ektodermaler Herkunft sind und sich nicht etwa aus den glatten Muskelzellen entwickeln, die dem mittleren Keimblatt (Mesoderm; vgl. S. 790) entstammen.

2.6 Binde- und Stützgewebe Binde- und Stützgewebe (Knorpel- und Knochengewebe) sind äußerlich recht verschieden, sie gehören aber dennoch aufs engste zusammen, weil sie gemeinsamen Ursprungs sind: Beide Gewebsgruppen entstehen aus dem Mesenchym83 , einem embryonalen Bindegewebe. Überdies können Stützgewebe aus Bindegewebe entstehen. Im Grunde bestehen die Gewebe beider Gruppen aus denselben Elementen. Kennzeichnend ist für beide, daß zwischen die mehr oder weniger weit auseinanderliegenden Zellen reichlich Interzellularsubstanzen in flüssiger oder fester Form eingelagert sind. Dieser zwischenzellige Bereich ist ein physiologisch bedeutender Reaktionsraum, an den eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen gebunden sind; er wird auch extrazelluläre Matrix84 genannt. Die

Binde- und Stützgewebe 107

Interzellularsubstanz umfaßt stets zwei Anteile: Einerseits die amorphe Grundsubstanz, andererseits die typischen Bindegewebsfasern, die die Grundsubstanz durchziehen. Die zum Teil weit auseinanderliegenden Zellen halten untereinander über gegebenenfalls lange Ausläufer Kontakt und bilden so ein schwammartiges Maschenwerk. Nur im Knorpelgewebe liegen die Zellen ohne Verbindung zueinander in der Interzellularsubstanz. Den Stützgeweben verleiht die Interzellularsubstanz ihre Festigkeit; beim Knochen und auch beim Knorpel sind in die Interzellularsubstanz anorganische Salze, besonders Calciumsalze, eingelagert. Die allgemeine Funktion der Binde- und Stützgewebe ergibt sich bereits aus ihrer Bezeichnung. Sie wirken in mehrfacher Hinsicht verbindend: Innerhalb der Organe verbinden sie die verschiedenen Gewebe miteinander; sie halten die Organe und Organteile zusammen und sie sichern den Zusammenhalt des ganzen Körpers. Sie wirken als Knorpel- und Knochengewebe stützend; aus diesen Geweben besteht das Skelett des Körpers, das demselben Halt und Form verleiht und eine Grundlage des Bewegungsapparates ist. Darüber hinaus kommt dem Bindegewebe eine entscheidende Stoffwechselfunktion zu. Es dient z. B., wie schon bei den Epithelien angedeutet, der Vermittlung der Ernährung, indem die aus den Blutbahnen ausgetretenen Nährstoffe im Interstitium85 des Bindegewebes weiterdiffundieren und so zu den zu ernährenden Zellen gelangen. Entsprechend gelangen die Ausscheidungsstoffe von den Zellen über das Bindegewebe zu den abführenden Blutkapillaren und Lymphgefäßen. Das Blut selbst, der große Vermittler der Stoffwechselvorgänge, ist mit seinen freien Zellen in der flüssigen Interzellularsubstanz nichts anderes als ein Abkömmling des Bindegewebes, der sich für seine Transport- und Vermittlungsfunktion in mehrfacher Hinsicht differenziert hat. In diesen Räumen können zwischen den Zellen große Mengen Flüssigkeit (Wasser) gespeichert werden. Auch enorme Mengen Fett können in den eingelagerten Fettzellen – spezialisierten Bindegewebs85 86 87 88 89

interstítium (lat.) – Zwischenraum. solútio (lat.) – Lösung; sol = Kurzwort für Lösung. ontogénesis (gr.) – Keimesentwicklung. gelatína (lat.) – die Gallerte; geláre (lat.) – gefrieren. WHARTON, T., 1616-1673, Arzt am St. Thomas Hospital in London.

zellen – als Energiereserve gespeichert werden (s. S. 121). Schließlich ist das Bindegewebe auch bei der Abwehr von Krankheitskeimen und Fremdkörpern und bei der Wundheilung von Bedeutung: die freien Zellen des Bindegewebes und des Blutes wandern an Infektionsstellen. Defekte werden mit Bindegewebsfasern überbrückt (Narben); nur Bindegewebe kann Defekte verschließen, das Epithel sie dann wieder abdecken.

2.6.1

Stammgewebe: Mesenchym

Das Mesenchym entsteht schon auf früher embryonaler Entwicklungsstufe aus dem mittleren Keimblatt, dem Mesoderm (vgl. S. 790). Es besteht aus vielfach verzweigten, fortsatzreichen Zellen, die untereinander zu einem lockeren, dreidimensional organisierten Netz- oder Maschenwerk verbunden sind (Abb. 2/13). Zwischen den Zellen, im Interzellularraum, liegen größere Mengen an ungeformter (also faserfreier), halbflüssiger oder solartiger86 Interzellularsub-stanz. Die mesenchymale Zellmasse erfüllt alle Hohlräume zwischen den Keimblättern (Ektoderm und Entoderm; vgl. S. 790) und ist als embryonales Bindegewebe das Ausgangsmaterial für sämtliche Binde- und Stützgewebe. Im Verlauf der Ontogenese87 wird die Interzellularsubstanz zunehmend gallertig88 und von Fasern durchsetzt, die von Mesenchymzellen produziert werden. Sobald aber die Mesenchymzellen Bindegewebsfasern bilden, sind sie streng genommen keine Mesenchymzellen mehr; der zustandekommende Zellverband ist bereits als „gallertiges Bindegewebe“ zu bezeichnen. Diese Gewebsform kommt bei niederen Tieren, z. B. den Hohltieren (Quallen), als Dauergewebe vor, bei den höheren Tieren und dem Menschen tritt sie nur als embryonale Entwicklungsstufe auf, z. B. in der Nabelschnur als „W HARTON-sche89 Sulze“. Die Hauptmasse des Mesenchyms entwickelt sich unter außerordentlicher Vermehrung der Fasern zu den definitiven Bindegeweben des Körpers; werden Fasern gebildet und Hartsubstanzen in den Interzellularraum einge-lagert, dann entstehen die Stützgewebe. Nicht differenzierte Mesenchymzellen stellen nicht nur für die Binde- und Stützgewebe das Stammaterial dar, sondern sie sind als pluripotente Zellen in der Lage, sich in eine Vielzahl von Zellen umzuwandeln,

108

Gewebe

wie z. B. in glatte Muskelzellen (vgl. S. 176) oder in die verschiedenen Formen der Blutzellen (Farbtafel 5, S. 267). Das Mesenchym ist daher für die Entwicklung aller Organe von entscheidender Bedeutung. Obwohl bei den reifen Organen das zwischen dem organspezifischen Zellverband (Parenchym, vgl. S. 104) gelegene Bindegewebe als Stroma bezeichnet wird, wird dieses Bindegewebe im Falle seiner Erkrankung mit dem Begriff Mesenchym verbunden: z. B. Mesenchymose, eine erbliche Störung der (kollagenen) Bindegewebsfaserbildung.

2.6.2

Bindegewebe

Innerhalb der unterscheidbaren Bindegewebe lassen sich jeweils verschiedene Arten von Bindegewebszellen nachweisen. Hierbei werden die eigentlichen Bindegewebsverbände – die bereits oben erwähnten zellulären Maschenwerke – von Bindegewebszellen bestimmt, die ortsgebunden sind, sich also nicht von einem Ort zum anderen bewegen: Typische Bindegewebe (und natürlich auch die Stützgewebe) werden von „fixen Bindegewebszellen“ und ihren Produkten (Fasern) aufgebaut. Dieser sehr umfangreichen Zellfraktion stehen die „freien Bindegewebszellen“ (oder „freien Zellen des Bindegewebes“)

90 91 92

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leukós (gr.) – weißlich, k ytos ´ (gr.) – Zelle. von histós (gr.) – Gewebe vgl. 1. mónos (gr.) – allein, einzig; k ytos ´ (gr.) – Zelle; hier: Zelle mit einem einzigen Kern. makrós (gr.) – groß; phágein – fressen; hier: große Freßzelle.

gegenüber, die nicht ortsständig sind, sondern sich entweder aufgrund amöboider Eigenbeweglichkeit oder auch passiv durch die Interzellularräume speziell der (fixen) Bindegewebe und über die Leitungsbahnen (Blut- und Lymphgefäße) „frei“ durch den Körper bewegen bzw. verfrachten lassen. 2.6.2.1

Freie Bindegewebszellen

Für diese Fraktion der Bindegewebszellen ist typisch, daß sie keine Interzellularsubstanzen, vor allem aber keine Bindegewebsfasern bilden und daß sie, mindestens zu bestimmten Zeiten und Situationen, im Körper ortsveränderlich sind. Im weitesten Sinn erfüllen sie alle Abwehrfunktionen (vgl. S. 286). Nach heutiger Auffassung entstammen alle freien Bindegewebszellen dem Mesenchym und stellen Formen der weißen Blutkörperchen (Leukocyten 90) dar, die aus dem Blut bzw. der Blutbahn in das Bindegewebe eingewandert sind. So auch die Histiocyten 91, die lange Zeit als eigenständige Bindegewebszellen angesehen wurden, die aber mit den Monocyten92 (vgl. S. 266) des Blutes identisch sind. Histiocyten fungieren, wie die Reticulumzellen (s. u.), als große Freßzellen (Makrophagen93 ) und dienen der unspezifischen Abwehr (vgl. S. 296). Die Funktionen der unterschiedlichen Formen der Granulocyten sind beim Blut erwähnt (vgl. S. 264). Aus den Lymphocyten (vgl. S. 292) entwickeln sich in der Nähe von Blutgefäßen die großen Plasmazellen, die als Produzenten von Globulinen mit Antikörpercharakter gelten und die der humoralen Ab-

Farbtafel 1: Binde- und Stützgewebe. a) Lederhaut (Corium) beispielhaft für straffes, geflechtartiges kollagenes Bindegewebe: das Gewebe besteht hauptsächlich aus Kollagenfaser-Bündeln; am Rand der Fasersysteme liegen Fibrocyten-Zellkerne. Rechts sind Blutgefäße angeschnitten. Hämalaun-Eosin-Färbung. 160:1. b) Gelenkknorpel. Es handelt sich um hyalinen Knorpel, der zum Gelenkspalt hin (rechts) kein Perichondrium besitzt und dort von nur kleinen, tangential gelagerten Chondronen begrenzt ist. Nahe zur Verkalkungszone (gewellter dunkler Strich) stehen die rel. großen Chondrone senkrecht zu dieser bzw. zur Knorpeloberfläche. Ganz links Knochenbälkchen der Spongiosa. Hämalaun-Rosindulin-Färbung. 65:1. c) Knochenhaut (Periost). Auf dem längs geschnittenen Lamellenknochen (rechts) liegt die Blutgefäß-reiche zweischichtige Knochenhaut. Die Kollagenfaser-reiche äußere Schicht ist über feine Faserbündel, die durch die zellreiche Innenschicht laufen, mit dem Knochengewebe verbunden: sie dringen über feine Kanäle in dieses ein. Auf dem Knochengewebe liegt ein Saum von Osteoblasten (appositionelles Knochenwachstum!). HämalaunEosin-Färbung. 140:1. d) Bindegewebsverknöcherung (desmale Ossifikation). Rechts vom blau gefärbten Knochen epithelartig aufgereihte Osteoblasten (rot); im Knochen einzelne Osteocyten. Links des Knochens ein Osteoklast (rot); dieser mit mehreren Zellkernen (polyenergid) und einem Stäbchen (Mikrovillus)-Saum, der gegen den Knochen gerichtet ist. Azan (Azokarmin-Anilinblau-Orange G)-Färbung. 650: 1.

Binde- und Stützgewebe 109

a

b

c

d

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Gewebe

wehr dienen (vgl. S. 294). Die Mastzellen sind Träger von Histamin, das an Heparin gebunden ist. Diese Inhaltsstoffe liegen innerhalb einer Vielzahl von Granula, die nach entsprechender Anfärbung sichtbar werden und die die Zellen „wie mit Granula gemästet“ erscheinen lassen. Mastzellen stehen aufgrund ihres HistaminGehalts im Dienst der Spannungsregulation bei glatten Muskelzellen, deren Kontraktion sie bewirken, z. B. in der Wand der Atemwege. Übermäßige Histaminausschüttung führt an den Atemwegen zu Spasmen94; an den Blutgefäßwänden bewirkt es Permeabilitätsänderungen und eine Erweiterung des Gefäßlumens. Das Heparin, ein Sulfat-Gruppen tragendes und daher sauer reagierendes Glykosaminoglykan („Mucopolysaccharid“), wirkt als Anti-Koagulans95: Es verhindert bei Verletzung kleiner Gefäße, daß das austretende und in das Interstitium des Bindegewebes eindringende Blut schnell gerinnt. Werden die Inhaltsstoffe der Mastzellen schlagartig und in größerer Menge freigesetzt, kommt es zu allergischen Reaktionen des Körpers, die bis hin zu Schockzuständen führen können (vgl. S. 295). 2.6.2.2

Verband der fixen Bindegewebszellen

Innerhalb der eigentlichen Bindegewebe sind die unterschiedlich differenzierten Bindegewebszellen die Träger des Lebens, sie bringen die Interzellularsubstanzen hervor und bewirken den Stoffwechsel und das Wachstum des Gewebsverbandes. Im lockeren und straffen Bindegewebe heißen sie Fibrocyten96; sie regulieren die Zusammensetzung der Grundsubstanz und produzieren die kollagenen Bindegewebsfasern. Im Sehnengewebe, einer speziellen Bindegewebsform, werden sie als Sehnenzellen bezeichnet. Die Reticulumzellen97 sind typisch für das reticuläre Bindegewebe und haben besonders inni-

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spasmós (gr.) – (Muskel)-Krampf. ánti- (gr.) – gegenüber-, entgegen, gegen; coágulum (lat.) – Gerinnsel. fíbra (lat.) – Faser. réte (lat.) – Netz; retículum – Netzchen. – Reticulumzellen und Reticulocyten sind nicht identisch! (Vgl. S. 269.) mélas (gr.) – schwarz. chróma (gr.) – Farbe; phérein (gr.) – tragen. retículum (lat.) – Netzchen.

ge Beziehung zu den Reticulin- oder Gitterfasern. Reticulumzellen können Fremdkörper (Kohlen-, Quarz-, Metallstaub, Tätowierungstusche u. a.) und Infektionserreger (Bakterien) phagocytieren (s. S. 347); die anorganischen Stoffe werden dabei gespeichert, die organischen abgebaut. Damit dienen sie der Abwehr (vgl. S. 296). Auch die Pigmentzellen (Melanocyten98) sind als Farbstoffträger (Chromatophoren99 ) ortsfest; sie können je nachdem lange Fortsätze bilden oder sich kugelig abrunden. Fibrocyten. Dies sind die typischen Zellen aller Bindegewebsformen. Sofern die Zellen hochaktiv sind und Kollagenfasern sowie interzelluläre Grundsubstanzen (s. S. 111) produzieren, nennt man sie Fibroblasten; die weitgehend Synthese-inaktiven Zellen sind die eigentlichen Fibrocyten. Fibrocyten können sich auch wieder in Fibroblasten umwandeln und dann erneut Fasern bilden. Dies geschieht besonders während der Wundheilung. Auf die Faserbildung wird später eingegangen. Fibrocyten sind ärmer an Cytoplasma und haben einen kleineren Zellkern als die Fibroblasten. Die Zellen beider Zustandsformen sind spindelförmig oder verzweigt, wobei die Fortsätze unterschiedlich lang sind. Die Ausläufer benachbarter Zellen können über Desmosomen miteinander verbunden sein, so daß als Zellverband ein dreidimensionales Raumgitter zustandekommt. Besonders die Fibroblasten sind Organellen-reich; sie haben ein gut entwickeltes rauhes endoplasmatisches Reticulum, das eine hohe Protein-Syntheserate (Faservorstufen!) ermöglicht. Reticulumzellen. Auch hier werden von den Synthese-inaktiven Reticulumzellen die wenig differenzierten Reticuloblasten bzw. „undifferenzierten Reticulumzellen“ unterschieden. Letztere sind den Mesenchymzellen sehr ähnlich, produzieren aber bereits Faservorstufen. Aus diesen Reticulumzellen gehen auch Fibroblasten und Fibrocyten hervor, sofern diese nicht direkt aus dem Mesenchym entstehen. Die Reticulumzellen stellen in schwammartig gestalteten Organen wie Lymphknoten und Milz die Organgrundlage dar: Die Zellen sind über Ausläufer untereinander verbunden und bilden zusammen mit ihren Produkten, den ebenfalls verzweigten und den Zellen eng anliegenden Reticulinfasern (s. u.), ein ausführliches dreidimensionales Raumgitter oder Netzwerk, ein Reticulum 100 . Da die Vorstufen der Reti-

Binde- und Stützgewebe 111

culinfasern, die von den Reticulumzellen abgeschieden werden, identisch mit den von Fibroblasten bzw. Fibrocyten produzierten Faservorstufen sind, ist es schwer, die Reticulumzellen eindeutig gegenüber den anderen Bindegewebszellen abzugrenzen. Da Reticulumzellen aufgrund ihrer Phagocytose-Aktivität auch Abwehrfunktionen ausüben, vertritt man heute die Auffassung, daß die Gruppe der Reticulumzellen morphologisch weitgehend gleichartig gestaltete Zellen umfaßt, diese aber zu ganz differenten physiologischen Leistungen befähigt sind, auch dann, wenn sie räumlich eng beieinander liegen, wie z. B. im Lymphknoten. 2.6.2.3

Interzellularräume mit Interzellularsubstanz

Das Maschenwerk zwischen den Zellen aller Bindegewebe (und Stützgewebe) ist von umfangreichen Interzellularsubstanzen erfüllt, wobei stets drei Anteile zu unterscheiden sind: Ungeformte (amorphe) Interzellularsubstanzen, die unter dem Begriff Grundsubstanz zusammengefaßt werden, sowie geformte Interzellularsubstanzen, die aus Bindegewebsfasern bestehen. Das Verhältnis von ungeformten zu geformten Interzellularsubstanzen ist nicht konstant und bestimmt die speziellen Eigenschaften der einzelnen Bindegewebe. In einem sehr zugfesten Bindegewebe, wie z. B. einer Sehne, überwiegen die Fasern; in einem gallertartigen Bindegewebe dominieren dagegen die Grundsubstanzen. Als Drittes kommt die Gewebsflüssigkeit, auch interstitielle Flüssigkeit genannt, dazu. Dieses Wasser ist in der Regel an die Grundsubstanzen gebunden (vgl. S. 90) und gibt diesen die Eigenschaften eines Gels. 2.6.2.3.1 Grundsubstanzen In Binde- und Stützgeweben werden die Grundsubstanzen auch als „nichtfaserige zwischenzel-

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prótos (gr.) – der früheste; erste; proteínum (lat.) – der erste, wichtigste Stoff; glyk ys ´ (gr.) – süß. múcus (lat.) – Schleim; sáccharum (lat.) – Zucker. hyalos ´ (gr.) – Glas, durchscheinender Stein. chóndros (gr.) – Knorpel, ursprünglich das Korn; hier: „Knorpelbedingtes Salz der Schwefelsäure“. dérma (gr.) – Haut. hépar (gr.) – Leber. kéras (gr.) – Horn.

lige Substanz“ oder „Kittsubstanz“ bezeichnet. Sie sind in der Regel farblos und verleihen dem Gewebe aufgrund ihrer unterschiedlichen Konsistenz ganz bestimmte mechanische Eigenschaften, wie z. B. Druckfestigkeit. Sie dienen aber auch, zusammen mit der interstitiellen Flüssigkeit, dem Stoffaustausch zwischen den Gefäßen und den Zellen, sie bilden Diffusionsbarrieren gegenüber Fremdkörpern, die in das Gewebe eingedrungen sind, und sie sind der Ort, an dem sich die Bindegewebsfasern aus ihren Vorstufen zusammensetzen. Die chemische Zusammensetzung der Grundsubstanzen wechselt von einem Gewebstyp zum anderen und ist auch nicht endgültig bekannt. Im wesentlichen bestehen sie aus Zucker-Proteinverbindungen, Glykokonjugaten, die sich in die Polysaccharid-reichen Proteoglykane101 und Protein-reichen Glykoproteine101 einteilen lassen. Gemeinsam ist beiden dieser sehr umfangreichen und heterogenen Stoffgruppen, daß sie innerhalb der Bindegewebszellen gebildet werden, und zwar überwiegend von Fibroblasten. Die Proteoglykane stellen sehr umfangreiche zusammengesetzte Molekülkomplexe dar, die in der Regel aus vielen langen, unverzweigten Mehrfachzucker (Polysaccharid)-Ketten und einem langgestreckten Kernprotein, an dem die Polysaccharide aufgereiht sind, bestehen. Die Polysaccharidketten werden Glykosaminoglykane (Abb. 2/11) genannt; sie setzen sich aus Doppelzucker (Disaccharid)-Bausteinen zusammen, die jeweils einen Aminozucker (Einfachzucker mit Aminogruppe) sowie einen normalen Einfachzucker (Monosaccharid) umfassen. Da die Aminozucker und die Einfachzucker Sulfat- (SO–3) und/oder Carboxylgruppen (COO–) tragen, sind die Glykosaminoglykane stark negativ geladen und bedingen so die saure Reaktion der Glykosaminoglykane bzw. der Proteoglykane. Dies berücksichtigt die ältere Bezeichnung „saure Mucopolysaccharide“102, die zudem den schleimigen Charakter einiger ihrer Vertreter anspricht. Die Glykosaminoglykane gliedern sich in mehrere Klassen mit jeweils verschiedenen Eigenschaften: Hyaluronat103 (die einzige Klasse, die nur COO–-Gruppen und keine SO3Gruppen enthält), Chondroitinsulfat104, Dermatansulfat105, Heparansulfat106, Heparin106 und Keratan107sulfat. Die Proteoglykane sind für charakteristische Eigenschaften der Gewebe verantwortlich: Chondroitinsulfat erhöht die Druckfestigkeit, z. B. in der Hornhaut (Cornea) des Auges und im Knorpelgewebe. Hyaluronat bzw. Hyaluronsäure enthaltende Gewebe sind dagegen weniger druckfest, aber durchsichtig und zähflüssig (viskös) wie z. B. das Glaskörper-Gewebe des Auges und die Gelenkschmiere. Proteoglykane können Wasser – interstitielle Flüssigkeit – binden und

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Gewebe

Abb. 2/11: Baumaterialien der Grundsubstanz. Vereinfachte Darstellung der Molekularstruktur. a – Proteoglykan, b – Glykoprotein (Nach ALBERTS et al., verändert.)

regeln somit auch den Wassergehalt im Bindegewebe. Hiermit verbunden ist auch die Beeinflussung der Ionen- und Metabolitverteilung. Außerdem spielen sie eine Rolle bei der Wundheilung und der Mineralisation (Einlagerung anorganischer Substanzen, z. B. Calciumphosphat) des Bindegewebes. Die Glykoproteine bestimmen den Charakter bestimmter Gefäßabschnitte, der Herzklappen, der Cornea, aber auch des Knochengewebes mit und werden daher auch als Struktur-Glykoproteine bezeichnet. 108

olígos (gr.) – wenig; sáccharum (lat.) – Zucker.

In der Basallamina und in der Glykocalix sind sie reichlich enthalten; an der Oberfläche von Erythrocyten tragen sie die Blutgruppeneigenschaften. Struktur-Glykoproteine sind nicht identisch mit den Glykoproteinen, die im Blutserum vorkommen. Die Glykoproteine des Interzellularraums sind ebenfalls Makromoleküle, die aber bei weitem nicht die Größe der Proteoglykan-Aggregate erreichen. An ihren Hauptbestandteil, eine mehrfach gewundene Polypeptidkette, sind zahlreiche, aber relativ kurze und verzweigte Oligosaccharid 108-Ketten angefügt, die aus ungefähr 15 Monosacchariden (Zuckerresten) bestehen (Abb. 2/11).

Binde- und Stützgewebe 113 Das Gesamtmolekül trägt keine negativen Ladungen und reagiert daher insgesamt neutral; hierin liegt die Begründung für die ältere Bezeichnung „neutrale Mucopolysaccharide“. Durch Veränderung der Seitenketten wird auch der Charakter eines Struktur-Glykoproteins verändert. Dies ist während der Ontogenese81 der Fall; die Glykoproteine passen sich den jeweils erforderlichen Bedürfnissen des Organismus bzw. des Gewebes an. Auch sollen sie u. a. bei der Mineralisation des Bindegewebes entscheidend mitwirken. – Die Struktur-Glykoproteine haben einerseits eine mechanische, also verfestigende Funktion, andererseits stehen sie im Dienst der Stoffverteilung innerhalb des Interzellularraums bis hin zu den Zelloberflächen. Zudem kommen Struktur-Glykoproteine in der Glykocalix vor, wo sie ausgewählte Stoffe anreichern können. Zu den Struktur-Glykoproteinen gehört das Fibronectin109. Dieses ist ein sehr großes, fadenförmiges Eiweißmolekül mit einem Molekulargewicht von 450 000, das eine hohe Affinität zu Zelloberflächen hat und dabei benachbarte Zellausläufer miteinander verklebt. Auch die Bestandteile der Kollagenfasern werden durch Fibronectin miteinander verbunden (s. u.). Zudem ist Fibronectin für die Beweglichkeit und die Form von Zellen bedeutsam, es hat Einfluß auf die Phagocytose und auf zelluläre Wachstumsprozesse. Ein weiteres Struktur-Glykoprotein ist das bereits erwähnte Laminin (vgl. S. 96). Es ist, zusammen mit Kollagen, Heparansulfat und Fibronectin, Baustein der Basallamina und wird offenbar nur von den der Basallamina direkt aufsitzenden Zellen gebildet.

2.6.2.3.2 Bindegewebsfasern In die Grundsubstanz des Interzellularraumes sind drei unterschiedliche Typen von Fasern eingelagert: reticuläre Fasern (Reticulinfasern), Kollagenfasern und elastische Fasern. In der Regel kommen in den Bindegeweben alle drei Faserarten nebeneinander vor, allerdings in wechselndem Mischungsverhältnis und stets unter Dominanz eines Fasertyps, der dann den Charakter des Gewebes und auch seine Benennung bestimmt: Beispielsweise überwiegen in einem „elastischen Band“ eindeutig die elastischen Fasern. Bindegewebsfasern sind nicht nur unterschiedlich gestaltet, sondern sie haben im 109 110

fíbra (lat.) – Faser; nectére (lat.) – verbinden. retículum (lat.) – Gitterchen, Netzchen. Die Fasern lassen sich mit Silbernitrat besonders schön darstellen. Die Bezeichnungen Faser (fíbra) und Fibrille (Fäserchen) sind nicht einheitlich determiniert. Sehr dünne und lichtmikroskopisch nicht weiter unterteilbare Gebilde werden im allgemeinen Fibrillen genannt.

Abb. 2/12: Fasern eines lockeren Bindegewebes. Schema. a – kollagene Fasern bilden Faserbündel, die über b – reticuläre Fasern untereinander vernetzt sind. c – elastische Fasern durchziehen einzeln den Gewebsverband.

Hinblick auf Zug-, Druck- und Biegebeanspruchung auch ganz unterschiedliche Eigenschaften. Gemeinsam ist ihnen allen, daß sie aus Proteinen bestehen und sich aus Faservorstufen bilden, die von den Bindegewebszellen synthetisiert und in den Interzellularraum hinein abgeschieden werden. Reticuläre Fasern (Reticulinfasern, Gitterfasern, Silberfibrillen110). Hierbei handelt es sich um feinste, zug- und biegungselastische Einzelfasern, die meist räumliche Netzwerke bilden, so z. B. in den Lymphknoten und in der Milz (Abb. 2/12, 2/13). Da sie eine gewisse Steifigkeit besitzen, stützen sie das Organ ab. Im übrigen sind sie immer dort anzutreffen, wo Bindegewebe an nichtbindegewebiges Material grenzt. So bilden sie z. B. die Gitterfaserstrümpfe um die Muskelfasern (s. Abb. 2/49, S. 183) und liegen in den Basalmembranen. In diesen Fällen finden wir die Fasern aufs engste verflochten, ja sie können dabei scheinbar homogene Häutchen bilden. Die Gitterfasern werden auch präkollagene Fasern genannt, da sie ohne Unterbrechung in die kollagenen Fasern (s. u.) übergehen, ja auch

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Gewebe

als Vorstufen dieser angesehen werden können, obwohl die kollagenen Fasern nicht elastisch sind. Die mit den Gitter- bzw. Reticulinfasern in engster räumlicher und genetischer Beziehung stehenden Zellen sind die Reticulumzellen (s. o.). Auch die reticulären Fasern sind, ebenso wie die Kollagenfasern, aus quergestreiften Mikrofibrillen aufgebaut, die über Kittsubstanzen (Proteoglykane) miteinander verbunden sind. Ihre Dikke beträgt ungefähr 0,2-1 µm. Reticuläre Fasern bestehen aus Kollagen Typ III (s. u.). Kollagenfasern (Kollagene Fasern). Beim Kochen geben diese Fasern Leim (KnochenLeim111) . Sie sind aus vielen parallel angeordneten kollagenen Fibrillen zusammengesetzt (Abb. 2/12, 2/13); dadurch bekommt die Faser ein längsgestreiftes Aussehen und erscheint im Querschnitt fein gepünktelt. Im Polarisationsmikroskop erscheint die Kollagenfaser doppelbrechend 112. Die Fibrillen ihrerseits bestehen aus vielen miteinander vernetzten Proteinfilamenten, die am häufigsten, wie typischerweise bei Sehnen-Kollagenfasern, von Kollagen Typ I gebildet werden (s. u.). Frisches kollagenes Material sieht weiß aus, wie man jederzeit an Sehnen und Bändern der Schlachttiere sehen kann. Auch

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kólla (gr.) – Leim; -gen (gr.) – Wortteil für werden, entstehen. Licht schwingt senkrecht zur Strahlenrichtung nach allen Seiten gleich stark. Verschiedene Objekte ändern diese Schwingungen von durchgetretenem oder reflektiertem Licht derart, daß es in einer bevorzugten Richtung besonders stark, rechtwinklig dazu besonders schwach schwingt, sie polarisieren das Licht und werden als doppelbrechend bezeichnet. Dies wird ohne Hilfsmittel nicht bemerkt, kann aber mit selbstpolarisierenden Prismen (sog. gekreuzte N ICOLsche Prismen, siehe Physik) sichtbar gemacht werden.

die weiße Lederhaut des Auges besteht fast ausschließlich aus festverwobenen kollagenen Fasern. Im lockeren Bindegewebe verlaufen die l12 µm dicken Kollagenfaserbündel im entspannten Zustand gewellt, Haarlocken vergleichbar. Zwar sieht man die Faserbündel sich selbst immer wieder teilen, doch beruht das nur auf einem Auseinander- bzw. Zusammentreten von Fasern; die einzelne Kollagenfaser teilt sich nicht. Die Proteinfilamente der Kollagenfasern bestehen jeweils aus drei Kollagen-Polypeptidketten, die als Kollagen-α-Ketten bezeichnet werden (s. u.). Inzwischen sind 25 unterschiedliche Kollagen-α-Ketten bekannt, die eine Vielzahl verschiedener dreisträngiger Kollagen-Polypeptidketten bilden können. Diese sind Grundlage für eine größere Anzahl unterschiedlicher Kollagen-Typen, wobei die wichtigsten und am weitesten verbreiteten die Typen Kollagen I, II, III, IV und V sind. Im Körper finden sich die Kollagene an bevorzugten Stellen. Kollagen Typ I bildet hauptsächlich die Kollagenfasern der Haut, der Sehnen, Bänder und Knochen, der Cornea und inneren Organe und umfaßt ungefähr 90 % des Körperkollagens. Kollagen Typ II kommt in den kollagenen Fasern des Knorpelgewebes und in den Bandscheiben vor; Kollagen Typ III bildet Reticulinfasern und kommt ebenfalls in der Haut, in der Lamina fibroreticularis der Basalmembranen und in inneren Organen sowie in Blutgefäßen vor. Kollagen Typ IV ist am Aufbau der Lamina basalis der Basalmembran beteiligt und Typ V tritt in fast allen Bereichen des Körpers auf, wenn auch jeweils nur in kleinen Mengen.

Kollagenfasern sind extrem zugfest; mit einer Zugfestigkeit von 6 kg/mm 2, wie sie für parallel angeordnete, längsverlaufende Sehnenfasern zu ermitteln ist, wird ein Wert erreicht, der dem technischer Werkstoffe entspricht, wie z. B. Bindfaden. Ihre Dehnbarkeit ist dagegen sehr gering; diese beträgt bei gestreckten Fasern ca. 3 %. Da Kollagenfasern im entspannten Zustand aber gewellt verlaufen, werden sie bei einer Zugeinwirkung zunächst gerade gerichtet, wodurch die

Abb. 2/13: Formen des Bindegewebes. a) embryonales Bindegewebe = Mesenchym, 480:1. b) reticuläres Bindegewebe; Reticulinfasern dargestellt. Lymphknoten 480:1. c) lockeres (kollagenes) Bindegewebe: Neben lockig-gewellt verlaufenden Kollagenfaserbündeln einige strichförmige elastische Fasern. 410:1. d) lockeres (elastisches) Bindegewebe. Die elastischen Fasern bilden ein unregelmäßiges feines Netzwerk; Kollagenfasern ebenfalls vorhanden, aber nicht speziell dargestellt. Häutchenpräparat des Großen Netzes; 410:1. e) straffes, parallelfaseriges kollagenes Bindegewebe. Sehne, 820:1. f) plurivakuoläres Fettgewebe. Innerhalb des Kreises eine besonders typische Zelle. Fetales Nierenfett; 480:1. g) univakuoläres Fettgewebe. Unterhaut; 320:1. h), i) Mastzellen als „freie Zellen des Bindegewebes“. h) in lockerem Bindegewebe liegend; 1290:1. i) fluoreszenzmikroskopische Darstellung der Histaminhaltigen Mastzellgranula mit Hilfe einer Spezialmethode. 2500:1.

Binde- und Stützgewebe 115

116 Gewebe

Zugwirkung nach und nach – und nicht ruckartig – übertragen wird (ähnlich wie beim anfahrenden Eisenbahnzug, wo die Kupplungsfedern ausgleichend wirken). Hierdurch kommt eine Gesamtverlängerung der Kollagenfasern um maximal 5 % zustande. Besonders bei der Ruckbeanspruchung von Sehnen und Bändern spielt dieses ausgleichende Moment eine große Rolle. Bei übermäßigem Zug kommt es zur Erscheinung des „Fließens“: Die Fasern werden länger, können sich aber bei Entlastung nicht mehr in den ursprünglichen Zustand verkürzen: Sie sind „irreversibel dehnbar“113. In der Regel reißen Kollagenfasern bei Überbelastung ab (Sehnenund Bänderriß). Die natürlichen Enden der kollagenen Fasern sind häufig in Gitterfasernetze aufgesplittert, so daß die Zugbeanspruchung auch auf das Gitterfasernetzwerk übertragen wird. Druck- und Biegungskräften setzen Kollagenfasern keinen Widerstand entgegen. Werden kollagene Fasern längere Zeit nicht gespannt, so verkürzen sie sich, das Gewebe „schrumpft“. Dies kommt daher, daß im Verlauf des ständigen Ab- und Neueinbaus der Proteinfilamente die Kollagenfasern immer nur entsprechend der maximalen Zugbeanspruchung eingebaut werden. Daher rührt die Einschränkung der Gelenkbewegung nach längerer Ruhigstellung; sie kann erst durch Übung wieder ausgeglichen werden. Bei längerwährender erheblicher Dauerbeanspruchung werden wiederum im Verlauf ihres Umbaus die neu angelegten Kollagenfibrillen länger als vorher eingebaut. Dadurch kann ein Band länger (s. bei Plattfuß, S. 249), eine Organkapsel oder der Herzbeutel bei krankheitsbedingter Herzvergrößerung weiter werden. Die Heilung eines Defektes im Körper erfolgt durch das Bindegewebe. Der Defekt, z. B. eine Wunde, wird durch Einbau vieler kollagener Fasern zur Narbe, der meist die weiße Farbe des Kollagengewebes eigen ist. Im Laufe der Zeit schrumpft die Narbe, sie wird aber niemals restlos abgebaut und durch ortsstän-diges Gewebe ersetzt. An der Oberfläche kann das Epithelgewebe die Narbe wieder decken.

Elastische Fasern: Diese bilden im Bindegewebe meist gerade verlaufende, gestreckte und verzweigte Systeme unterschiedlich dicker Fasern, die zu Netzverbänden angeordnet sind (Abb. 2/ 12, 2/13). Die Fasern sind 0,1–5 µm dick, sehen gelblich, glänzend und in sich homogen aus; sie sind also nicht, wie Kollagenfasern, längsge-

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114

re- (lat.) – zurück-, abermals; re-vérto (lat.) – zurück wenden; ir- (= in-, lat.) – Negativierung; nicht zurückwendbar (unwiederholbar). prótos (gr.) – der früheste, erste; kólla (gr.) – Leim; gen (gr.) für werden.

streift. Elastische Fasern können aus dem entspannten Zustand (100 % Länge) auf das 1,5fache = 150 % gedehnt werden; nach der Dehnung gehen sie wie ein Gummifaden wieder auf ihre ursprüngliche Länge zurück: Sie sind „reversibel dehnbar“ 107. Bei zu großer Zugbeanspruchung steigt ihr Dehnungswiderstand, schließlich reißen sie. In den Wänden der Blutgefäße ist elastisches Material in Form verzweigter, löcheriger Membranen eingelagert, die im ungespannten Zustand gewellt sind (s. S. 321). Die elastischen Substanzen sind widerstandsfähig gegen Säuren und Alkalien und behalten ihre Elastizität auch beim Kochen. Manche Farbstoffe (z. B. Resorcin-Fuchsin, s. Abb. 5/17, S. 325) färben nur „Elastica“ an und machen diese dadurch von anderen Gewebselementen unterscheidbar. Elastische Fasern können anscheinend von verschiedenen Zellen gebildet werden, so den Fibroblasten, aber auch von glatten Muskelzellen (z. B. in Gefäßwänden). Elastische Fasern bestehend aus dem Protein Elastin (s. u.).

2.6.2.3.3 Bildung von Bindegewebsfasern (Fibrillogenese) Tab. 2/1 gibt für die Gruppe der Binde- und Stützgewebe einen ungefähren Überblick zur insgesamt recht komplexen Situation ihrer Interzellularsubstanzen. Die Auflistung enthält die faserbildenden Moleküle – geformte Interzellularsubstanz – wie auch die Moleküle, die die amorphe Grundsubstanz bedingen. Alle drei Formen der Bindegewebsfasern werden grundsätzlich gleich gebildet: Zunächst werden von den Bildungszellen intrazellulär Faservorstufen synthetisiert, die in den Interzellularraum exportiert werden und die sich dann, extrazellulär, zu definitiven Bindegewebsfasern zusammenlagern („polymerisieren“). Sofern die Bildungszellen – überwiegend Fibroblasten, aber auch Reticulumzellen – das Protein Kollagen produzieren, entstehen Kollagen- und/oder Reticulinfasern; stellen sie das Eiweißmolekül Elastin her, dann entstehen elastische Fasern. Kollagen- und Reticulinfaserbildung. Die Bildung des Kollagen erfolgt über mehrere Syntheseschritte (Abb. 2/14). Zunächst werden am rauhen endoplasmatischen Reticulum langgestreckte Eiweißketten gebildet, die pro-α-Ketten. Jeweils drei dieser als Protokollagen114 bezeichneten fädigen Polypeptide (zwei α1- und eine α 2-Kette) schlingen sich schraubenförmig („he-

Binde- und Stützgewebe 117 Tab. 2.1: Hauptbestandteile der Interzellularsubstanz der Binde- und Stützgewebe. Nach SIEGEL (1996), vereinfacht. Interzellularsubstanz Proteine Kollagen

Elastin

faserig

nicht faserig

Fasern-assoziiertes Kollagen

Kollagen - Typ I - Typ II - Typ III - Typ V - Typ XI

Kollagen - Typ IV - Typ VI - Typ VII - Typ VIII - Typ X - Typ XIII

Kollagen - Typ IX - Typ XII - Typ XIV - Typ XVI

Glykokonjugate StrukturGlykoproteine

Fibronectin

Vitronectin Laminin Tenascin Entactin Thrombospondin Undulin Osteocalcin Osteonectin Osteopontin Fibrillin Fibulin u. andere

lix“artig) umeinander, jedoch nicht vollständig: die Enden der Moleküle tragen jeweils Register (Extensions)-Peptide und bleiben gestreckt. Die Register-Peptide verhindern offenbar, daß sich die Eiweißketten bereits intrazellulär zu großen Eiweißkörpern zusammenlagern. Die aus drei Protokollagenen bestehenden Ketten werden durch Einbau von Hydroxyl (OH–)-Gruppen und Zuckerresten (z. B. Glucose; Glykosylierung) modifiziert. Damit wird die Charakteristik des resultierenden Prokollagens115, aber auch des späteren Kollagens im Sinne der bereits oben genannten Kollagen-Typen I-V, bestimmt. Das Prokollagen gelangt zum GOLGIFeld und wird dort durch Einbau weiterer Zuckermoleküle fertiggestellt und „exportfähig“ gemacht. Innerhalb membrangebundener Vesikel gelangt das Prokollagen zum Plasmalemm, von wo es exocytotisch in den Interzellularraum eingeschleust wird. Hier vorhandene spezifische Protein-spaltende Enzyme, die Proteasen Tropokollagenpeptidase und Prokollagenpeptidase, spalten die Register-Proteine vom Prokollagen

115 116

pro- (lat.) – vor. tropé (gr.) – Windung; gewundenes Kollagen.

Glykosaminoglykane Proteoglykane Kern-Proteine

Glykosaminoglykane

Perlekan Fibroglykan Amphiglykan Syndekan Betaglykan Neurokan Versikan Aggrekan Thrombomodulin Fibromodulin Lumikan u. andere

Heparansulfat Heparin Chondroitinsulfat Dermatansulfat Keratansulfat

ab; es resultiert das Tropokollagen116 , das eigentliche Kollagen-Molekül. Die TropokollagenMoleküle haben eine Länge von 280 nm und sind – nachdem das Register-Protein abgespalten ist – in der Lage, sich zu Protofibrillen zusammenzulagern: Dies sind ca. 5 nm dicke Fäden, die aus vielen Tropokollagen-Einzelketten bestehen. Innerhalb einer Kette sind die polarisierten Tropokollagene streng „rechtslinks“ orientiert; zwischen den Molekülen befindet sich ein Abstand von 35 nm. Die Tropokollagene benachbarter Molekülketten liegen zueinander nicht auf gleicher Höhe, sondern sind so gegeneinander parallel versetzt, daß jeweils die Tropokollagene der ersten Ketten auf gleicher Höhe zu den Tropokollagenen der sechsten Kette liegen. (Bei übermäßiger Belastung kollagener Fasern „zerfließt“ dieses exakte Tropokollagen-Anordnungsmuster; es stellt sich bei Nachlassen des Zuges nicht wieder ein, so daß die Faser definitiv überdehnt bzw. gerissen ist: irreversible Dehnbarkeit der Kollagenfaser!). Aufgrund der Molekülanordnung kommt eine Querstreifung zustande, die besonders bei den kollagenen Mikrofibrillen, der nächst größeren und eigentlichen Baueinheit der Kollagenfasern, auffällt (Abb. 2/15). Kollagene Mikrofibrillen

118

Gewebe

Abb. 2/14: Kollagenfaserbildung. Schema. Erklärung siehe Text. (Nach ALBERTS et al., verändert.)

Binde- und Stützgewebe 119

Abb. 2/15: Überwiegend längs angeschnittene Kollagenfibrillen mit typischer Querstreifung. Zwischen den Fibrillen z. T. granuläre Grundsubstanzen. In der Teilabbildung rechts sind die durch unterschiedliche Osmium-Einlagerung hell und dunkel erscheinenden Querstreifen einer Periode (fast vollständig) nachzuzählen. EM-Originalaufnahme von G. GEIGER, Tübingen, 120 000:1, Inset 200 000:1.

sind 10-200 nm dick. Ihr Querstreifungsmuster weist eine Periodizität von 64 nm auf; innerhalb einer Periode lassen sich 17 helle und dunkle Querlinien nachweisen (vgl. Abb. 2/15). Durch Zusammenschluß der Mikrofibrillen entstehen die 0,1-0,5 µm dicken Kollagenfibrillen; deren Bündelung führt zu den Kollagenfasern, die einen Durchmesser von 1-12 µm haben und im Lichtmikroskop sichtbar sind. Sie bilden die Grundlage für noch größere Einheiten, die Kollagenfaserbündel. Als verbindende Substanzen zwischen den jeweiligen Baueinheiten dienen die Grundsubstanzen („Kittsubstanzen“), spezielle Proteoglykane. Des weiteren sind, wie bereits erwähnt, alle Faserstrukturen in mehr oder weniger dichte Grundsubstanzen eingelagert. Die Reticulinfasern entstehen ebenfalls aus quergestreiften Mikrofibrillen, die denen des Kollagens sehr nahe stehen, die aber in ihren Polypeptidketten eine etwas andere Aminosäuren-Sequenz haben. Auch die reticulären Mikrofibrillen besitzen eine 64 nm-Periodizität; sie enthalten viel Proteoglykan-reiche Kittsub-stanz

mit bis zu 12 % Hexose-Anteil. (Bei den Kittsubstanz-ärmeren Kollagenfasern haben die Proteoglykane einen Hexose-Anteil von nur 1 %). – Die nur 0,2-2 µm dünnen Reticulinfasern werden auch als präkollagene Fasern bezeichnet, wobei allerdings nicht bewiesen ist, daß sie tatsächlich Vorstufen der Kollagenfasern darstellen. Bildung der elastischen Fasern. Auch diese geht von Fibroblasten aus, teilweise aber auch von glatten Muskelzellen, wie z. B. in der Gefäßwand. Die Bildungszellen sezernieren das Protein Elastin, das dem Kollagen verwandt ist, aber eine etwas andere Aminosäuren-Zusammensetzung als das Kollagen hat. Im Interzellularraum polymerisiert das Elastin zu den bis über 1 µm dicken elastischen Fasern. Diese sind in ihrem Innern durch amorph erscheinendes Elastin gekennzeichnet, das aus aufgeknäuelten (globulären) Elastin-Polypeptidketten besteht. Im äußeren Umfang der Fasern liegen, weitgehend längs zur Faser orientiert, langgestreckte Peptidfäden, die an kollagene Mikrofibrillen erinnern. Eine Querstreifung besteht nicht. – Aufgrund

120

Gewebe

der Quervernetzung der globulären Elastinketten werden diese bei Zugbelastung zwar ausgezogen und gegeneinander „verzogen“, reißen aber nicht voneinander ab. Bei Nachlassen des Zuges kugeln sich die Elastinketten wieder auf; somit ist die Faser reversibel dehnbar. Die äußeren Mikrofibrillen verhindern offensichtlich die Überdehnung der Faser. 2.6.2.4

Klassifizierung der Bindegewebe

Die Bindegewebe werden aufgrund ihres speziellen Gehaltes an Fasermaterialien, der Fasertextur und typischer Funktionen, die sie im Organismus ausüben, eingeteilt. Auch entwicklungsgeschichtliche Aspekte werden berücksichtigt, wie das Beispiel des Fettgewebes zeigt, das ein spezialisiertes reticuläres Bindegewebe ist und das sich nach Entleerung der Fettspeicher wieder in ein reticuläres Bindegewebe umwandeln kann. Nach der Art des vorherrschenden Fasermaterials teilt man die Bindegewebe ein in reticuläres, kollagenes und elastisches Bindegewebe. Reticuläres Bindegewebe. Hierbei handelt es sich um einen dreidimensionalen, schwammartigen Verband von Reticulinzellen und reticulären Fasern (Abb. 2/13). Andere Fasertypen treten so gut wie nicht auf. Das Gewebe ist, wenn auch nur in bescheidenem Ausmaß, in alle Richtungen druck- und zugbelastbar, auch werden Scherkräfte abgefangen. In seinen umfangreichen Maschenlücken halten sich ständig eine Vielzahl freier Bindegewebs- oder Blutzellen auf; insofern ist das reticuläre Bindegewebe Grundlagegewebe der Lymphatischen Organe (vgl. S. 347) und des Knochenmarks. Auch sehr zarte Epithelien, wie z. B. das Darmepithel, liegen auf reticulärem Propria-Bindegewebe (vgl. S. 418). Kollagenes Bindegewebe. In den kollagenen Bindegeweben herrscht stets der Anteil an Kollagenfasern vor, es sind aber auch reticuläre und elastische Fasern nachzuweisen. Entsprechend überwiegen die Fibrocyten, von denen im Lichtmikroskop eigentlich nur die Zellkerne erkannt

117 118

córium (lat.) – Haut (Lederhaut). apó- (gr.) – ab-, weg; neúron (gr.) – ursprünglich die Sehne, später auch der Nerv.

werden. Der Kollagenfaser-Anteil ist in kollagenen Bindegeweben sehr variabel, so daß folgende Einteilung getroffen werden kann: Lockeres (kollagenes) Bindegewebe. Alle drei Faserarten kommen vor; vorherrschend sind jedoch Bündel von lockig-gewellt verlaufenden Kollagenfasern (Abb. 2/13). Die Fasern lassen in ihrem Verlauf keine eindeutige Vorzugsrichtung erkennen. Das lockere Bindegewebe ist Träger von Blut- und Lymphgefäßen sowie der Nerven. Es kommt unter der Haut, zwischen den Muskeln und zwischen anderen Organen vor und verbindet die Organe und Organteile untereinander locker bzw. verschiebbar, besonders dann, wenn die Kollagenfasern nach dem „Scherengitter-Prinzip“ angeordnet sind. Grenzt lokkeres Bindegewebe an einen Verschiebespalt im Körper, z. B. an die Bauch- oder Brusthöhle, einen Gelenkspalt oder den Innenraum des Herzbeutels, dann decken die Bindegewebszellen die Oberfläche epithelartig („epitheloid“) ab (Mesothelien; vgl. S. 417). Straffes (kollagenes) Bindegewebe. Dieses ist sehr reich an kollagenen Faserbündeln, die in alle Richtungen verlaufen und somit eine Zugbelastung des Gewebes in jeder Richtung abfangen. In den Verband sind Netzwerke elastischer Fasern eingewoben; (wenige) reticuläre Fasern vernetzen die Faserbündel. Das Gewebe ist relativ zellarm und enthält außer Fibrocyten nur wenig freie Zellen. Aus straffem Bindegewe-be bestehen z. B. die flächigen Organkapseln und die Lederhaut (Corium117) (vgl. S. 496, Farbtafel 1, S. 109 ). Eine spezielle Bauform zeigt das parallelfaserige straffe (kollagene) Bindegewebe: bei ihm sind die kollagenen Faserbündel ebenfalls sehr dicht = straff angeordnet, sie verlaufen aber nicht in wechselnden Richtungen, sondern sie sind gleichsinnig parallel orientiert und sind daher auch nur in einer Richtung sinnvoll auf Zug belastbar (Abb. 2/13). Zwischen den Faserbündeln liegen relativ wenige Fibrocyten und einige schraubig-zirkulär verlaufende Kollagen(und Reticulin-) Fasern, die dem Zusammenhalt der Kollagenfaserbündel dienen. Das straffe parallelfaserige kollagene Bindegewebe bildet die Bänder, Sehnen und Flächensehnen (Aponeurosen118). Elastisches Bindegewebe. Durch Vermehrung elastischer Materialien kann ein lockeres Bindegewebe überdurchschnittliche Elastizität erlan-

Binde- und Stützgewebe 121

gen. Auch können elastische Fasern so miteinander „verschmelzen“, daß flächige elastische Membranen entstehen, die, eingebaut in die Wand eines Hohlorgans, diesem elastische Eigenschaften verleihen („elastische Arterie“, vgl. S. 321). Am umfangreichsten ist das elastische Fasermaterial in den elastischen Bändern. Diese sind dem kollagenen parallelfaserigen Bindegewebe vergleichbar gebaut, die Hauptmasse des Gewebes wird jedoch aus elastischen Fasern gebildet. Diese sind ziemlich dick und werden von schraubig verlaufenden und sich überkreuzenden Kollagenfasern umhüllt und zusammengehalten. Bei Zugbelastung werden die Kollagenfasern nach dem „Scherengitter-Prinzip“ gegeneinander verzogen und verhindern die Überdehnung des Gewebes. Bei der Entspannung verlaufen die Kollagenfasern mehr zirkulär und lassen dadurch die Verdickung der elastischen Fasern zu. – Elastische Bänder kommen beim Menschen nur an der Wirbelsäule (vgl. S. 211) und am Kehlkopf (vgl. S. 361) vor. Kleine elastische Sehnen besitzen die in die Gesichtshaut einstrahlenden Muskeln („mimische Muskulatur“119, vgl. S. 257), auch endet ein Teil der glatten Muskelzellen an elastischen Fasern. Fettgewebe. Wie schon angedeutet, gilt das Fettgewebe als eine spezialisierte Form des reticulären Bindegewebes. Hierbei speichern dicht zusammengelagerte Reticulumzellen Fett in zunächst kleinsten Tröpfchen; das Fett liegt also, darauf sei besonders hingewiesen, intrazellulär bzw. im Cytoplasma der Zelle. Die Fetttröpfchen fließen bei weiterer Speicherung zu einem großen Tropfen zusammen, so daß das Cytoplas-ma jeder Zelle den Fettinhalt wie ein dünner Ballon seinen Inhalt umhüllt. In diesem Cyto-plasmasaum liegt der stark abgeplattete Zellkern (Abb. 2/13). Diese Form der Fettzelle nennt man univakuolärer Lipocyt120 oder Adipocyt 121 . Jede Zelle ist von einem Reticulinfasernetz umhüllt. In den üblichen mikroskopischen Schnitten ist durch organische Lösungsmittel das Fett herausgelöst, wodurch die Fettzellen leer erscheinen (Abb. 2/13).

119 120 121 122

mimikós (gr.) – zum Gebärdenspiel gehörend. lípos (gr.) – Fett. adipósus (lat.) – fettreich. chórda (gr.) – Saite; dorsális (lat.) – zum Rücken gehörig, rückwärts liegend, von dórsum – Rücken.

Univakuoläre Lipocyten bilden das sog. weiße (gelbe) Fettgewebe, das vom Schlachttier als „Speck“ bekannt ist. Das Fettgewebe dient einmal als Energiereserve (Speicherfett), wozu es besonders im Unterhautgewebe und an den Eingeweiden bei reichlicher Ernährung angelegt wird und bei Bedarf jederzeit zur Verfügung steht. Außerdem schützt es als schlechter Wärmeleiter vor Wärmeverlust. Im Gegensatz zum Speicherfett ist das Bau- oder Polsterfett (z. B. der Fußsohlenunterhaut, des Gesäßes, der Fettkörper der Wangen und der Augenhöhlen) als normaler Bestandteil des Körpers notwendig und wird nur bei extremem Nährstoffmangel abgebaut (hohle Wangen, tiefliegende Augen). Es dient hier als Stützgewebe. Eine besondere Form des Fettgewebes ist das wegen des Cytochromgehaltes dunkler aussehende braune Fettgewebe. Es hat eine größere Wärmebildungskapazität, weil es mitochondrien- und glykogenreich ist, und kommt vorwiegend beim Säugling in der Gegend zwischen den Schulterblättern vor. In seinen Zellen liegt der Zellkern nicht randständig, und das Fett ist in vielen Einzeltröpfchen eingelagert. Solche Fettzellen werden „plurivakuoläre Lipocyten“ genannt (Abb. 2/13).

2.6.3

Stützgewebe

Als typisches Stützgewebe gelten das Knorpelund Knochengewebe. Dazu kommen noch das Chordagewebe und – als hochspezialisiertes und extrem hartes Knochengewebe – das Zahngewebe, das auf S. 397 beschrieben ist. 2.6.3.1

Chordagewebe

Das Chordagewebe ist ähnlich gebaut wie das Fettgewebe; nur besteht der Zellinhalt nicht aus Fett, sondern aus wäßriger Flüssigkeit. Es kommt während der Entwicklung beim Menschen (wie bei allen Wirbeltieren) in der Rückensaite, der Chorda dorsalis122, vor, Reste davon findet man noch in den Nuclei pulposi der Zwischenwirbelscheiben (s. S. 210). Die ganze Chorda wird von einer bindegewebigen Hülle umgeben, die ihr die Eigenform gibt. Darin liegen die Chordazellen dicht beieinander und stehen unter hohem Flüssigkeitsdruck. Die prall gefüllten Zellen geben ihr eine elastische Festigkeit, ähnlich einem stramm aufgeblasenen Schlauch.

122

Gewebe

Abb. 2/16: Formen des Knorpelgewebes. Schema. a) hyaliner Knorpel mit Knorpelzellen, Territorial- und Interterritorialsubstanz, links unten Asbestfaserung; b) elastischer Knorpel mit Zellen und elastischen Fasern; c) Faserknorpel mit Knorpelzellen und Territorialsubstanz zwischen den Kollagenfaser(bündeln).

2.6.3.2

Knorpelgewebe

Kennzeichnend für das Knorpelgewebe ist, daß die Knorpelzellen, Chondrocyten123 genannt, mehr oder weniger abgerundet sind, keine weitläufigen Fortsätze entwickeln und sich gegenseitig nicht berühren. Die Zellen sind stets von einem umfangreichen Interzellularraum umgeben, der sehr viel gewebstypische Grundsubstanzen und Bindegewebsfasern enthält. Alle drei Arten von Knorpelgewebe sind frei von Blutgefäßen; die Versorgung des Gewebes erfolgt jeweils von einer vaskularisierten124 Knorpelhaut (Perichondrium) ausgehend auf dem Diffusionsweg. Knorpel sind druck-, zug- und torsionsbelastbar, z. T. auch hoch elastisch. Die Festigkeit des Knochengewebes wird jedoch bei weitem nicht erreicht. 2.6.3.2.1 Hyaliner Knorpel Der hyaline125 Knorpel (Abb. 2/16, 2/18; Farbtafel 1, S. 109) sieht in frischem Zustand bläulichmilchig und glasig homogen aus. Im mikroskopischen Bild sind die Zellen auch am ungefärbten Präparat deutlich zu erkennen. An der Oberfläche eines Knorpels liegen sie unter der bin-

123 124 125

chóndros (gr.) – Knorpel, ursprünglich das Korn. vas (lat.) – Gefäß; vasculósus – gefäßreich. hyalos ´ (gr.) – Glas, durchscheinender Stein.

Abb. 2/17: Verlauf der Kollagenfasern im Hyalinknorpel. Schema. Die Knorpelzellen liegen zwischen den bogen- bis kreisförmig verlaufenden Kollagenfasern.

Abb. 2/18: Formen des Knorpelgewebes. a), b) hyaliner Knorpel; in b) mit Asbestfaserung. Rippenknorpel. a) 130:1, b) 320:1. c) Faserknorpel. Bandscheibe; 320:1. d) elastischer Knorpel. Kehlkopf; 320:1.

Binde- und Stützgewebe

123

124

Gewebe

degewebigen Knorpelhaut flach, parallel zur Oberfläche und dicht beieinander. Je weiter sie aber in der Tiefe liegen, desto größer und abgerundeter sind die Zellen; sie liegen nun nicht mehr einzeln, sondern auch in Gruppen, den sogenannten Tochterkolonien, in der vermehrten, sie umgebenden Grundsubstanz. Diese Anordnung der Zellen ist entwicklungsmäßig bedingt: Aus der Knorpelhaut können sich Bindegewebszellen in Knorpelzellen umwandeln, die sich dann mit Grundsubstanz umgeben. Dadurch gewinnt der Knorpel Zuwachs von außen (appositionelles Wachstum126). Die Zellen haben aber auch die Fähigkeit, sich, wenn sie schon von Grundsubstanz umschlossen sind, noch zu teilen und weitere Grundsubstanz um sich herum abzusondern. Die sich teilenden Zellen bleiben beieinander liegen und bilden so die Tochterkolonien, die jeweils auch als Klon127 zu verstehen sind. Durch die Vermehrung der Grundsubstanz zwischen den Zellgruppen rücken diese immer weiter auseinander, und der Knorpel erfährt dadurch auch von innen heraus eine Massenzunahme (interstitielles Wachstum128). Die Zellen oder Zellgruppen liegen in entsprechenden Höhlen der Grundsubstanz. Sie schrumpfen beim Tode, künstlich auch beim Fixieren: Man sieht dann die Höhle, die sonst völlig von den Zellen ausgefüllt ist. Die Einzelzellen und die Tochterkolonien liegen in einem meist gut erkennbaren Gebiet von Knorpelgrundsubstanz, ihrem „Territorium“ (Zellhof). Bei den verschiedensten Färbungen zeigt dieses Helligkeitsunterschiede gegenüber der sonstigen Grundsubstanz, der Interterritorialsubstanz. Eine Zelle oder Zellgruppe mitsamt ihrem Territorium wird als Baueinheit des Knorpelgewebes aufgefaßt und Chondron129 genannt.

Territorial- und Interterritorialsubstanz erscheinen im Mikroskop nicht weiter gegliedert. Im polarisierten Licht sehen wir aber eine sehr große Menge doppelbrechender130 Fibrillen aufleuchten; das sind kollagene Fasern, die den Zusammenhalt des Knorpels gewährleisten. Sie

126

ap-pónere (lat.) – anlagern, auflagern. klon (gr.) – Zweig, Schößling; hier: Nachfahren einer Zelle. 128 interstítium (lat.) – Zwischenraum; interstítere (lat.) – dazwischentreten. 129 chóndros (gr.) – Knorpel, hier Baueinheit des Knorpels. 130 siehe Fußnote 112, S. 114. 131 Asbest ist ein Silikatgestein, das aus parallel orientierten fadenartigen Kristallen besteht; die Kollagenfasern des degenerierten Knorpels erinnern an dieses Mineral. 127

sind ohne Polarisation nicht zu sehen, weil sie die gleichen Lichtbrechungseigenschaften wie die Knorpelgrundsubstanz haben. Die Fasern sind also durch die Grundsubstanz maskiert. Am alternden Knorpel geht der Grundsubstanzanteil etwas zurück; hierdurch kommt es zu einer relativen Vermehrung der Fasern, und sie werden sichtbar: Die „Demaskierung“ der Fasern verursacht eine „Asbestfaserung“131 des Knorpels. Die Kollagenfasern verlaufen in und unter der Knorpelhaut oberflächenparallel, von dort aus in verschiedenen Richtungen bogenförmig in die Tiefe auf die andere Seite des Knorpelstückes (Abb. 2/17). Dadurch wird der hyaline Knorpel druck- und zugfest, erhält sich jedoch eine reversible Biegsamkeit und ist auch etwas drucknachgiebig. Die Biegungselastizität ist bei den Rippenknorpeln bedeutungsvoll für die Brustatmung, die Druckelastizität bei den Gelenkknorpeln. Die Druckbelastbarkeit des hyalinen Knorpels wurde mit max. 1,5 kg/mm2 ermittelt. Die Interzellularsubstanz besteht zu ca. 60-70 % ihrer Gesamtmasse aus Wasser (interstitielle Flüssigkeit, vgl. S. 111), die restlichen 40-30 % entfallen auf das komplex zusammengesetzte Chondromucoid. Diese Trockensubstanz (= 100 %) besteht zu 40-50 % aus Kollagen Typ II-Fasermaterial, ebenfalls 40-45 % aus Proteoglykanen und Glykosaminoglykanen (vgl. S. 111), ca. 7 % Eiweiß (Albuminoid) und 4-10 % Mineralbestandteilen, wobei im Alter der Anteil der Mineralien steigt. Die häufigsten Glykosaminoglykane der amorphen Grundsubstanz sind das sehr lange Polysaccharid Hyaluronsäure, sowie die sulfatierten Mucopolysaccharide Chondroitinsulfat und Keratansulfat. Die beiden letztgenannten bilden zusammen mit jeweils langgestreckten Protein (Polypeptid)-Fäden umfangreiche Molekülkomplexe (Proteoglykane), indem sie sich in großer Anzahl als Seitenketten dem Polypeptid anlagern („Flaschenbürsten-Aspekt“). Aufgrund gegenseitiger Durchdringung von Glykosaminoglykanen und Proteoglykanen sowie der Verflechtung und Verhaftung dieser Substanzen mit kollagenem Fasermaterial wird im Knorpel eine relativ hohe Druck- und Zugfestigkeit erreicht. Diese ist in verschiedenen hyalinen Knorpeln nicht konstant; sie hängt jeweils ab von der variablen Menge bzw. dem Mischungsverhältnis von Fasern und Grundsubstanzen (incl. Eiweißund Mineralanteil).

Binde- und Stützgewebe 125 Die Ernährung des Knorpels geht ausschließlich von der gefäßhaltigen Knorpelhaut aus; ihn selbst durchziehen im allgemeinen keine Blutgefäße. Der Gelenkknorpel ist jedoch nicht von Knorpelhaut überzogen, er wird z. T. von der Gelenkflüssigkeit, z. T. vom Knochengewebe ausgehend ernährt. Die Nahrungsstoffe müssen also auch für die zuinnerst liegenden Teile durch die Grundsubstanz hindurchgeleitet werden. Da aber der Knorpel einen geringen Energieumsatz hat (bradytroph132), ist sein Stoffwechsel wenig intensiv. Allerdings reicht im alternden Knorpel diese geringe Ernährung nicht mehr aus, er degeneriert: Gefäße wachsen ein, Kalk wird abgelagert, und zuletzt kann der Knorpel in Knochen umgebaut werden. Der Vorgang ist etwa derselbe wie bei dem Umbau des knorpelig angelegten Skelettes in das endgültige knöcherne. Das Körperskelett wird nämlich zum größten Teil zuerst in Hyalinknorpel angelegt, der in verschiedener Hinsicht (geringer Stoffwechsel, appositionelles und interstitielles Wachstum) für das rasche Wachstum des embryonalen und jugendlichen Körpers besonders geeignet ist (s. S. 128).

2.6.3.2.3 Faserknorpel

Aufgrund der bescheidenen Versorgungslage und des niedrigen Stoffumsatzes im Knorpel ist dessen Regenerationsvermögen beim Erwachsenen sehr gering. Knorpeldefekte, speziell im Gelenkbereich, werden, wenn überhaupt, von faserreichem Bindegewebe geschlossen. Bei Kleinkindern auftretende Knorpelschäden regenerieren relativ gut.

Abgesehen vom Zahnmaterial ist das Knochengewebe die härteste Substanz unseres Körpers. Außer gegen Druckbelastungen ist der Knochen auch widerstandsfähig gegen Zug, Biegung und Verdrehung (Torsion). Das Knochengewebe ist als Baumaterial der Knochen bzw. des Skeletts das Hauptstützgewebe des Körpers. Die Zellen des Knochengewebes, die Osteocyten, haben stets lange Ausläufer und sind über diese untereinander netzartig verbunden. In diesem Punkt unterscheidet sich das Knochengewebe sehr deutlich vom Knorpelgewebe. Die Interzellularsubstanz ist reich an kollagenen Fasern und Grundsubstanzen. In die Grundsubstanz sind anorganische Salze in kristalliner Form eingelagert, die dem Knochen seine Härte verleihen. Knochengewebe ist gut vaskularisiert und zeigt einen erheblichen aktiven Stoffwechsel. Das starr und unbeweglich erscheinende Knochenmaterial ist lebende Substanz! Es ist in der Lage, sich geänderten Bedingungen im Körper – z. B. einer neuen Belastungsrichtung im Knochen – anzupassen. Das Knochengewebe bzw. der Knochen zeichnet sich aufgrund seiner Umbau- und Regenerationsbereitschaft durch große „biologische Plastizität“ aus.

2.6.3.2.2 Elastischer Knorpel Obwohl alle Knorpel die Eigenschaft der Elastizität haben, trägt der elastische Knorpel seinen besonderen Namen, weil in seine Grundsubstanz statt kollagener Fasern elastische Fasernetze eingelagert sind (Abb. 2/16, 2/18). Er ist dadurch nicht nur mehr biegungselastisch als der hyaline Knorpel, sondern auch zugelastisch. Er sieht im Frischpräparat wegen der Eigenfarbe des elastischen Materials (vgl. S. 211) gelblich aus. Die Chondrone sind hier stets klein (1 bis 2, höchstens 3 Zellen enthaltend) und die Interterritorialsubstanz sieht wegen der elastischen Fasern unruhig aus. Diese sind zwar nicht deutlich sichtbar, aber auch nicht maskiert und können daher mittels Elasticafärbung (s. S. 116) sichtbar gemacht werden (Abb. 2/18). Elastischer Knorpel kommt beim Menschen nur am Kehlkopfskelett und im Außen- und Mittelohr vor.

132

brad ys´ (gr.) – langsam; tréphein (gr.) – ernähren.

Der Faser- oder Sehnenknorpel ist mehr der Sehne als dem Knorpel ähnlich. Mikroskopisch sieht man, wie beim Sehnengewebe, straff und parallel angeordnete kollagene Fasern, zwischen denen aber Knorpelzellen mit kleinen Territorien statt der Sehnenzellen liegen (Abb. 2/16, 2/18). Solcher Faserknorpel ist überall dort zu finden, wo Sehnen- oder Bandgewebe überwiegend auf Druck beansprucht wird, so z. B. in den Gelenkzwischenscheiben (Disci und Menisci, s. S. 203) und den Zwischenwirbelscheiben (s. S. 210). Auch dort, wo eine Sehne um einen Knochen herumläuft oder in Knorpel oder Knochen einstrahlt, bildet sich an der Belastungsstelle Faserknorpel aus. 2.6.3.3

Knochengewebe

2.6.3.3.1 Interzellularsubstanz des Knochengewebes Die Interzellularsubstanz des Knochengewebes besteht zu 20-25 % aus Wasser, zu 25-30 % aus organischer und zu ca. 50 % aus anorganischer

126 Gewebe

Substanz. Ungefähr 95 % der organischen Substanz entfallen auf kollagene133 Fasern (Kollagen Typ I), der Rest entfällt fast vollständig auf amorphe Grundsubstanzen, hauptsächlich neutrale und saure Proteoglykane und Glykosaminoglykane, wie Chondroitinsulfat und Keratansulfat (vgl. S. 111). Die anorganische Substanz besteht im wesentlichen aus Mineralsalzen: Am umfangreichsten ist mit 86 % das Calciumphosphat vertreten, das in Form von Hydroxylapatit[3Ca3(PO4)2 . Ca(OH)2]-Kristallen auftritt. Hinzu kommen 10 % Calciumcarbonat, 1,5 % Magnesiumphosphat, 0,5 % Calciumfluorid und Calciumchlorid und weitere 2 % Alkalisalze, wie Natriumchlorid und Kaliumchlorid. („Kalk“ – Calciumcarbonat –, der oftmals als die Hartsubstanz des Knochens genannt wird, ist also nur in bescheidenem Prozentsatz vertreten!). Die Hydroxylapatitkristalle sind bis zu 40 x 10 x 2 nm große sechseckige (hexagonale) Gebilde. Die Kristalle sind allseitig von amorphen Grundsubstanzen umgeben und durch diese miteinander verhaftet. Außerdem liegen sie in Längsanordnung parallel zu den Kollagenfasern, wobei auch hier die Grundsubstanz verklebend wirkt. Diese Anordnung der Materialien – Fasern, Hartsubstanz und Grundsubstanz – bewirkt die hohe Festigkeit des Knochengewebes. Die Druckbelastbarkeit des hochspezialisierten Lamellenknochens (s. unten) erreicht Werte bis 12 kg/mm2. Das spezifische Gewicht des Knochens ist etwa 1,7. Der Anteil von rund 50 % anorganischer Substanz im Knochen scheint ein Optimum zu sein. Ist er erhöht, kommt es zur Knochenbrüchigkeit (z. B. im Alter), ist er vermindert, zu Deformierbarkeit (z. B. Rachitis134, Osteomalazie135).

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kólla (gr.) – Leim; gen (gr.) – Wortteil für werden, entstehen. rháchis (gr.) – Wirbelsäule. Rhachitis bedeutet eigentlich „Wirbelsäulenentzündung“. Die Krankheit wurde zuerst in England erforscht, daher heißt sie bei uns auch Englische Krankheit. ostéon (gr.) – Knochen; malakós (gr.) – weich. So auch im (essigsauren) Bismarckhering. Da der Mensch außer in den Knochen nur minimale Mengen unverbrennbarer anorganischer Substanzen enthält, ist nach einer Einäscherung der Inhalt einer Urne fast ausschließlich Knochenasche.

Die anorganischen Salze können durch Säure herausgelöst werden; der Knochen ist dann schneidbar, weich und biegsam136, doch bleibt er zugfest durch den Einbau der kollagenen Fasern. Andererseits lassen sich durch Ausglühen die organischen Bestandteile entfernen; dabei bleibt die sogenannte Knochenasche137 übrig. Auch dann behält das Skelettstück seine Form, ist aber infolge des Fehlens des Bindegewebes leicht zu zerbröseln. Die anorganischen Bestandteile geben dem Knochen zusammen mit den organischen die Druckfestigkeit. Bei der Verwesung werden ebenfalls die organischen Bestandteile allmählich herausgelöst; im Verlauf einer eventuell eintretenden Fossilierung kann dann der Knochen durch im Wasser herangebrachte anorganische Stoffe mineralisiert werden. Dadurch kann man in gewissen Grenzen das geschichtliche Alter eines in der Erde gefundenen Knochens bestimmen (Fluortest der Paläontologen).

2.6.3.3.2 Osteocyten In der Interzellularsubstanz des Knochens liegen die Zellen, die sich ehemals als Knochenbildungszellen (Osteoblasten) selbst eingebaut, „eingemauert“ haben: Sie besetzen als Knochenzellen (Osteocyten) kleine Knochenzellhöhlen. Sie bleiben, im Gegensatz zu den Knorpelzellen, miteinander in Kontakt, indem sie sich mit zahlreichen feinsten Zellausläufern berühren, die in ebenso feinen Knochenkanälchen liegen (Abb. 2/19). Es ist anzunehmen, daß die Knochenzellen untereinander einen gewissen Stoffaustausch unterhalten.

Abb. 2/19: Formen des Knochengewebes. a) Bildung von Bindegewebsknochen; links des Knochenbälkchens ein Saum von Osteoblasten, rechts zwei Osteoklasten. Fetaler Unterkiefer; 320:1. b) Enchondrale Ossifikation; Eröffnungszone: Oben Säulenknorpel, in Blasenknorpel übergehend, unten Knochenbälkchen (dunkel); zwischen diesen primäres Knochenmark. Schulterblatt; 320:1. c) – f) Lamellenknochen: c) entmineralisiertes Schnittpräparat. Im Zentrum der quergeschnittenen Osteone HAVERS-Kanäle. Fibula. d) – f) Dünnschliffpräparate des Hartsubstanzanteils eines von organischer Substanz befreiten Knochens. In die Knochenzellhöhlen und -kanälchen ist Luft eingedrungen (schwarz). f) Knochenzellhöhlen und -kanälchen eines längs angeschliffenen Osteons. Tübinger Studentenpräparat aus dem Jahr 1914. c), e): 130:1; d), f) 480:1.

Binde- und Stützgewebe 127

128 Gewebe

2.6.3.3.3 Bildung des Knochengewebes Die Bildung der Knochen bzw. des Knochengewebes erfolgt auf zweierlei Weise: Einerseits direkt im Bindegewebe aus mesenchymalem Blastem138, es resultiert ein Bindegewebsknochen, den Verknöcherungsvorgang selbst nennt man desmale139 Ossifikation. Andererseits bildet sich der Knochen indirekt durch Umbau von hyalinem Knorpel; bei dieser chondralen Ossifikation entsteht ein Ersatzknochen. Bindegewebsknochen. Die Bindegewebsknochen werden auch als Deckknochen bezeichnet, weil besonders die „Deckknochen“ des Schädeldaches daraus bestehen. Aber auch das Schlüsselbein und die perichondralen140 Knochenmanschetten bei der Verknöcherung von knorpelig vorgebildeten Skelettstücken sind Deckknochen (s. Ersatzknochen). Bindegewebsknochen entstehen, indem sich zunächst unspezifische mesenchymale Zellen zu Knochenbildungszellen, den Osteoblasten, differenzieren (Farbtafel 1, S. 109, Abb. 2/19). Diese sondern Knochengrundsubstanz, das Osteoid (auch Ossein genannt), um sich herum ab. Dieses Material ist noch nicht mineralisiert und folglich identisch mit der amorphen Grundsubstanz des Knochengewebes. In diesem Zustand ist das Knochengewebe wie Knorpel biegsam und schneidbar (Knochenknorpel). In das Osteoid werden gebündelte Kollagenfasern eingebaut, die unregelmäßig verlaufen (Faserknochen oder Geflechtknochen). Erst durch die sich anschließende Mineralisation kommt die eigentliche knochengewebstypische Interzellularsubstanz zustande; ein Primärknochen hat sich gebildet. Dieser wird zu einem späteren Zeitpunkt der Entwicklung noch zum Lamellen-Knochen umgebaut, der endgültigen Knochengewebsform des Erwachsenen. Ersatzknochen. Die aus der Umbildung des zuerst knorpelig angelegten Skeletts hervorgegangenen Knochen heißen Ersatzknochen. Schon während der Embryonalzeit beginnt die-

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blastánein (gr.) – bilden. desmós (gr.) – Band (zu Bindegewebe). péri- (gr.) – um herum; chóndros (gr.) – Knorpel. en- (gr.) – innen. ostéon (gr.) – Knochen; klásma (gr.) – Bruchstück; also Knochenabbauzellen.

ser Umbau. Die Entwicklung endet aber erst mit Erreichen der ausgewachsenen Körpergröße. Zuerst wird rings um das knorpelige Skelettstück eine perichondrale Knochenmanschette aus Deckknochen angelegt (perichondrale Ossifikation). Lediglich die Gelenkenden bleiben davon frei (Abb. 2/20). Diese Umhüllung ist für die Stabilität günstig, da während der Manschettenbildung im Inneren der Knorpel unter Auftreibung seiner Zellen zu degenerieren beginnt. Gefäße dringen zusammen mit Mesenchymzellen (noch undifferenzierten Bindegewebszellen) ein, die einerseits den zerfallenden Knorpel resorbieren, andererseits zu Zellen des primären Knochenmarks werden. Die an den beiden Öffnungen der Knochenmanschette wie Pfropfen im Flaschenhals steckenden Knorpelenden hingegen wachsen interstitiell in die Länge, wobei sich die Knorpelzellen säulenartig anordnen (Abb. 2/19 u. 2/20). Wo diese Knorpelzellsäulen an das primäre Knochenmark grenzen, zerfallen sie wiederum und werden ausgeräumt, vielleicht wandern sie auch aus. Um die stehenbleibende, verdichtete und schon zuvor mit Calciumsalzen angereicherte Knorpelgrundsubstanz aber lagern ebenfalls eingewanderte Osteoblasten Knochensubstanz ab (enchondrale141 Verknöcherung). Indem weiterhin außen die Knochenmanschette verlängert wird und innen sich der Säulenknorpel in gleicher Geschwindigkeit verschiebt, wobei er markwärts abgebaut wird und am anderen Ende weiterwächst, wächst das Skelettstück in die Länge. Die Knochenmanschette nimmt durch appositionelles Wachstum aber auch an Dicke zu. Dabei findet von innen her fortwährend ein Abbau der früher gebildeten Knochensubstanz durch große resorbierende Zellen, die Osteoklasten142 (Farbtafel 1d, S. 109, u. Abb. 2/19) statt, wodurch die Markhöhle etwa in dem Maße erweitert wird, wie der Knochen in die Dicke wächst. Das Längenwachstum des Skelettstückes erfolgt ausschließlich von den Knorpelenden her, und zwar nur durch interstitielles Knorpelwachstum. Denn an den Gelenkflächen ist appositionelles Wachstum wegen des Fehlens der Knorpelhaut nicht möglich (vgl. Abb. 2/20). Später treten auch in den Gelenkenden, den Epiphysen 143 , Knochenbildungsherde auf, nachdem dort Gefäße und Mesenchym eingewandert sind (Abb. 2/20). Bis zum Wachstumsende, das bei den einzelnen Knochen zu verschiedenen Zeiten, aber etwa um das 20. Lebensjahr, eintritt, verbleibt

Binde- und Stützgewebe 129

Abb. 2/20: Vorgang der chondralen Ossifikation. Schema. a) hyalinknorplige Vorform des späteren Knochens, umgeben vom a – Perichondrium. b) – c) Ausbildung einer perichondralen Knochenmanschette, Auftreibung der Knorpelzellen und Einwandern von Gefäßen. An den Enden des Skelettstückes hebt sich zur Bildung von Gelenkkapsel und Gelenkspalt das Perichondrium – später Periost – ab. d) Die vergrößerten Knorpelzellen bilden b – Säulen, die dazwischen liegende Knorpelgrundsubstanz verkalkt. e) – Die Knorpelzellen sterben ab, und um die verkalkte Knorpelgrundsubstanz herum bildet sich ein Vorknochen (Geflechtknochen). Die Epiphyse wird durch ein einsprossendes Gefäß „eröffnet“ und verknöchert ebenfalls. f) Epiphyse und Schaft sind zu Lamellenknochen umgebaut. Längenwachstum des Knochens zunächst noch im Bereich der c – Epiphysenfuge möglich; in der Abb. ist sie bereits verknöchert. Im Gelenkbereich bleibt der Knorpel als d – Gelenkknorpel erhalten. e – Periost, f – primäre Knochenmarkshöhle, g – sekundäre Knochenmarkshöhle.

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zwischen der Epiphyse und der Diaphyse 144 die knorpelige Epiphysenfuge als Wachstumszone erhalten (Abb. 2/20). Bei Jugendlichen kommt es durch Gewalteinwirkung häufig statt zu Knochenbrüchen zu einem Verrutschen der Epiphyse auf dem Epiphysenknorpel. Dies führt zu Wachstumsstörungen der betreffenden Gliedmaße, da die Zuwachszone verletzt ist und erst wieder verheilen muß, um normal arbeiten zu können. Verknöchert aber die verletzte Epiphysenfuge, dann hört das Längenwachstum überhaupt auf.

Sowie die knöcherne Verbindung zwischen Epiund Diaphyse hergestellt ist, ist ein Längenwachstum nicht mehr möglich. Als einziger Rest des ursprünglich hyalinknorpeligen Skeletts ist dann nur noch der Gelenkknorpel übrig, der lebenslang erhalten bleibt. Bildung der Knochensubstanz. Die Osteoblasten synthetisieren nicht nur die Kollagenfasern, sondern sie besorgen auch die Ausfällung und Abscheidung der Mineralsalze im Interstitium des Knochenknorpels. Die Einzelheiten der Hartsubstanzbildung sind nicht umfassend bekannt. Jedensfalls sondern die Osteoblasten exocytotisch Vesikel ab, die an Phospholipide und Proteine komplexartig gebundenes Calcium sowie Phosphatasen (alkalische Phosphatase und Pyrophosphatase) enthalten. Diese „Knochenphosphatasen“ spalten offenbar von Phosphorsäureestern, die auf dem Blutweg antransportiert werden, Phosphationen ab, die sich dann in der Mineralisierungs („Verkalkungs“)-Zone anreichern. Die Phosphationen und das Calcium der Vesikel bilden intravesikulär das Calciumphosphat [Ca3(PO4)2], aus dem in Folge größere Hydroxylapatitkristalle entstehen. Nach dem Platzen der Vesikel lagern sich die Apatitkristalle, auch unter dem Einfluß anderer Ionen, an den Kollagenfasern an und wirken für nachfolgend gebildeten („ausgefällten“) Apatit als Kristallisationskeime. Schließlich werden die Kollagenfasern vollkommen von Apatitkristallen imprägniert und ummauert. Offenbar sind für die ortsgerechte Ablagerung der Hartsubstanz nicht nur die Kollagenfasern (Querstreifung!), sondern auch die Knochengrundsubstanz (Glykoproteine, Chondroitinsulfat) von Bedeutung. Der Vorgang der Hart143 144

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epí (gr.) – auf; phyhein ´ (gr.) – wachsen. diá (gr.) – dazwischen, hier: den Epiphysen; Diaphyse = Knochenschaft. s. Fußnote 134, S. 126

substanzbildung wird vom Parathormon und dem Hormon Calcitonin (s. S. 715) gesteuert und ist Vitamin-D-abhängig. Da im fertigen Knochen nicht nur die organischen, sondern auch die anorganischen Bestandteile dauernd erneuert werden, hat der Körper einen täglichen Bedarf an Calcium, Phosphor und Vitamin D. Dieser Bedarf ist während des Wachstums, in der Schwangerschaft und in der Stillzeit gesteigert. Das gesamte Knochencalcium wird in ca. 200 Tagen ausgetauscht. Steht dem Körper Strontium zur Verfügung, wird dies ebenso wie Calcium in die Knochen eingebaut. Wenn bei Atombombenversuchen und Reaktorunfällen radioaktives Strontium frei wird, kann sich dieses in den Knochen gefährlich anreichern. Das Fehlen eines der zum Knochenaufbau erforderlichen Stoffe kann schwere Knochendefekte zur Folge haben. So führt Fehlen von Vitamin D im Kindesalter zur Rachitis145. Der Knorpel „verkalkt“ dabei nicht genügend in der Verkalkungszone und kann nicht abgebaut und durch Knochengewebe ersetzt werden; außerdem bleiben die Knochen weich. Bei Calciummangel in der Nahrung einer schwangeren Frau wird die erforderliche Menge aus ihrem eigenen Körper abgebaut und dem Kind zugeführt. Dabei können auch die Zähne gegen Erkrankungen anfälliger werden. Der Volkmund sagt: Jedes Kind kostet die Mutter einen Zahn.

2.6.3.3.4 Erwachsenes Knochengewebe und erwachsener Knochen Bildung und Bau (Abb. 2/21). Noch während der embryonalen Entwicklung wird der ursprünglich gebildete Knochen, sei er nun Deckoder Ersatzknochen, in bleibenden Knochen umgewandelt. Die erste Anlage ist immer reich an Kollagenfaser- Geflechten (Geflechtknochen), der spätere Knochen enthält parallel geordnete Kollagenfasern und ist in Schichten gebaut (Lamellenknochen). Knochenabbauzellen (Osteoklasten) schaffen nötigenfalls durch Abbau im Inneren des Knochens Kanäle, die in Längsrichtung des Schaftes verlaufen und auch miteinander in Verbindung stehen. Die Kanäle haben die Weite eines späteren HAVERSschen Systems (s. unten). An der Innenwand des Kanals siedeln sich Knochenbildungszellen (Osteoblasten) in großer Menge an und bauen eine Schicht Knochensubstanz wie eine Tapete darauf. In dieser 2-6 µm dicken, röhrenförmigen Lamelle sind die gestreckten, also nicht gewellten kollagenen Fasern nur in einer Richtung parallel und spiralig steigend eingelagert. Zwischen den Fasern liegen in bestimmter räumlicher An-

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Abb. 2/21: Bau eines Röhrenknochens. Schema (a): a – äußere Generallamellen, zur Darstellung des Verlaufes ihrer Kollagenfasern herausgezogen; b – HAVERSsche Gefäße, c – HAVERSsche Lamellen des Osteons, zur Darstellung ihres Faserverlaufs auseinandergezogen; d – äußere Generallamellen im Verband der Compacta, e – Periost und seine Verankerung am Knochen durch SHARPEYsche Fasern, f – längs geschnittene Osteone bzw. Lamellen, g – Bälkchenwerk der Spongiosa. Oben rechts (b): Querschliff durch die Compacta mit h – Speziallamellen und i – Schaltlamellen. (a – nach BENNINGHOFF , verändert.)

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ordnung die anorganischen Salze in Kristallform. Die Osteoblasten dieser ersten, äußeren Lamelle teilen sich mitotisch und die TochterOsteoblasten bilden, auf die erste Lamelle innen aufgelagert, eine weitere Lamelle. Die Kollagenfasern der 2. Lamelle sind wiederum spiralig und parallel orientiert, sie verlaufen aber scherengitterartig zu den Fasern der ersten Lamelle gekreuzt. Durch Einbau weiterer konzentrischer Lamellen, deren Fasersysteme jeweils gekreuztgegenläufig zu denen der benachbarten Lamellen sind, wird das Kanallumen so weit eingeengt, bis es schließlich nur noch Platz für wenig Bindegewebe und die zur Ernährung erforderlichen Gefäße hat. Eine solche, 1 cm lange und aus 5-20 oder mehr ineinandergeschachtelten Röhrenlamellen bestehende Baueinheit nennt man ein HAVERSsches System146 oder Osteon147. Die Lamellen sind Spezial- oder HAVERSsche Lamellen, der Kanal heißt HAVERSscher Kanal. Zwischen den Lamellen liegen die Knochenzellen (Osteocyten) platt gedrückt. Durch ihre feinen Fortsätze stehen sie mit den benachbarten Osteocyten in allen Richtungen, also auch durch die Lamellen hindurch, in Verbindung (Abb. 2/19, 2/20). Knochenhäute. Die Oberflächen eines Knochens sind jeweils mit einem flächig organisierten Bindegewebe abgedeckt: außen auf dem Knochen liegt das Periost (Farbtafel 1, S. 109), gegen die Knochenmarkshöhle begrenzt das (dünne und nicht weiter zu besprechende) Endost. Wie schon erwähnt, wächst der Knochen nur durch Anbau (appositionell) in die Dicke. Dieses Wachstum geht von der äußeren Knochenhaut, also dem Periost, aus, das aus einer äußeren faserreichen und einer inneren zell- und gefäßreichen Schicht besteht. Es überzieht den ganzen Knochen mit Ausnahme seiner knorpelüberzogenen Gelenkenden. Aus der inneren

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HAVERS, C., 1650-1702, Arzt und Anatom in London. ostéon (gr.) – Knochen; hier: Baueinheit des Knochens. spóngium (lat.) – Schwamm. bréccie (ital.); auch Bretsche, Breckzie – Trümmer; in der Geologie Ausdruck für aus kantigsplittrigen, unsortierten Trümmern verbackene Gesteine. VOLKMANN, A.W., 1800-1877, Anatom und Physiologie in Leipzig, Dorpat und Halle.

Schicht der Knochenhaut differenzieren sich während des Wachstums immer neue Bindegewebszellen zu Osteoblasten und lagern große, den ganzen Knochen rundum einhüllende Lamellen ab, die Generallamellen. Währenddem finden von innen her Abbauvorgänge statt. Zuletzt werden am ausgewachsenen Röhrenknochen als Gegenstück zu den äußeren auch innere Generallamellen vom Markraum aus angelegt. Doch nur die großen Röhrenknochen haben in ihrem Schaft eine von Knochensubstanz freie Markhöhle; in Epiphysennähe und in diesen selbst sind sie wie die kurzen Knochen (z. B. Wirbel) von einem feinen Knochenschwammwerk, der Spongiosa148, durchzogen. Auch diese ist aus Lamellen, doch nicht aus HAVERSschen Systemen aufgebaut (Abb. 2/21). Selbst im schon fertigen Lamellenknochen werden nach vorherigem örtlichem Abbau neue HAVERSsche Systeme eingebaut. Es bleiben dann von den ersten HAVERSschen Systemen und Generallamellen nur Bruchstücke übrig, die man als Schaltlamellen zwischen den vollständigen Osteonen findet. Man spricht deshalb vom Breccienbau149 des Knochens (Abb. 2/19). Dieser Umbau endet nicht mit Abschluß des Knochenwachstums, sondern findet auch noch im Knochen des Erwachsenen statt, wenn auch mit zunehmendem Alter immer spärlicher. Durch Anbau oder Abbau und strukturellen Umbau kann sich dabei der Knochen den Erfordernissen der Belastung anpassen. Wird durch erhöhte Belastung (Training) die Muskulatur kräftiger, reagiert der Knochen mit entsprechendem Dickenwachstum. Beim Gelähmten hingegen unterliegt auch der Knochen einer Atrophie, weil die Muskulatur keine entsprechende Wirkung mehr auf ihn ausübt. So hält der Knochen über seinen Umbau ein Fließgleichgewicht zwischen Anforderung und Belastbarkeit aufrecht. Gefäßversorgung. Die Knochenhaut ist sehr wichtig für die Ernährung des Knochens. Von ihren Gefäßen gehen Äste in die Knochensubstanz zu den HAVERSschen Gefäßen. Diese Zubringergefäße sind als VOLK150 MANN sche Gefäße nicht von Osteonen (Speziallamellen) umgeben wie die HAVERSschen, sondern laufen frei und entsprechend den Anforderungen der lokalen Blutversorgung durch die geordnete Knochensubstanz, meist quer zum Osteonverlauf.

2.6.3.3.5 Funktionelle Struktur des erwachsenen Knochens Der Knochen ist aufgrund seiner anorganischen Substanzen druckfest und wegen seiner organi-

Binde- und Stützgewebe 133

Abb. 2/22: Spongiosa-Architektur des Oberschenkelknochens. a) Der Schaft des Röhrenknochens hat a – Wände aus kompaktem Knochen. Dieser löst sich hals- und kopfwärts in feinste Knochenbälkchen auf, die die b – Spongiosa bilden und in der Richtung der Beanspruchung des Knochens gerichtet sind. b) Schematischer Verlauf der Beanspruchungslinien: rot – Zuglinien, schwarz – Drucklinien. (Nach PAUWELS.) c) Räumliche Darstellung der trajektoriell angeordneten Spongiosabälkchen. Die Bälckchenanordnung zwischen c und d ist charakteristisch für den aufrecht gehenden Menschen (Trajektorium der aufrechten Haltung). (Nach KUMMER.)

schen Substanzen zug- und torsionsfest und in geringem Maße auch biegungselastisch. Dabei ist mit einem Minimum an Material und Gewicht ein Maximum an Festigkeit und Funktionstüchtigkeit hergestellt. Schon durch die Wicklungen der kollagenen Fasern in verschiedenen Richtungen wird dieses Prinzip in den einzelnen Osteonen verwirklicht. Auf dieselbe Weise erreicht nämlich der Techniker, z. B. bei Brückentragekabeln, eine höhere Belastungsfähigkeit, indem er mehrere mittelstarke Eisendrahtstäbe um ein Mittelstück in wechselnder Richtung schichtweise wickelt, statt ein einziges homogenes Stück von derselben Dicke zu nehmen. Die Wicklungen ermöglichen zudem eine federnde Elastizität. Der Röhrenknochen zeigt außerdem als Ganzes einen optimalen Bau, indem er nicht mas151 152

compáctus (lat.) – dicht, zusammengedrängt. córtex (lat.) – Rinde; corticális – rindenhaft.

siv, sondern nach dem Prinzip der Röhre gebaut ist, die bei gleicher Leistung materialsparender und zugleich etwas nachgiebiger bzw. biegungselastisch ist (Grashalm, technische Röhrenkonstruktionen). Ein Röhrenknochen besteht aus einer sehr kompakten, aus Spezial-, Schaltund Generallamellen zusammengesetzten Knochensubstanz, der Compacta151. Lediglich an den Gelenkenden, die den stärksten Druckbelastungen aus verschiedenen Richtungen ausgesetzt sind, befinden sich in dem von einer dünneren Compacta (Corticalis152) umgebenen Innenraum die Spongiosabälkchen, die nun wiederum sehr genau nach der Belastungsanforderung eingebaut sind. Das Paradebeispiel hierfür ist die Spongiosa-Architektur des Oberschenkelhalses (s. Abb. 2/20). Die Spongiosa ist dort so eingebaut, daß sie bei möglichst hoher Materialersparnis noch den Druck des Rumpfes nicht nur beim Stehen und Gehen, sondern auch beim Aufspringen tragen kann. Die Spongiosabälkchen folgen also den Linien, über die die

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größten Druck-, Zug- und Scherbelastungen laufen; in Anlehnung an technische Bauwerke, z. B. Brücken oder Gitterleitungsmasten, wo Trajektorien die Kräfte aufnehmen und übertragen, spricht man von „trajektorieller Anordnung der Spongiosabälkchen“. Die Spongiosazüge kreuzen sich fast stets rechtwinklig. Nicht röhrenförmige Knochen sind wie die Gelenkenden der Röhrenknochen gebaut. Sie bestehen aus Spongiosa und einem dünnen Überzug aus Corticalis. Knochenrelief. Nicht allein die Druckbelastung, sondern vor allem die Zugbeanspruchung durch die Muskulatur beeinflußt wesentlich die Architektur des Knochens und seine äußere Formung. Sehnen und Bänder strahlen mit ihren groben kollagenen Faserbündeln in den Knochen selbst ein. An den Stellen der Sehnen- und Bandeinstrahlung ist keine Knochenhaut ausgebildet. Die mit dem Mikroskop sichtbaren, grob in die Knochensubstanz einstrahlenden Fasern werden als SHARPEYsche153 Fasern bezeichnet (Abb. 2/21). Die Enden stärkerer Sehnen werden außerdem zu ihrem besseren Halt durch einen Knochenvorsprung ummauert, der je nach Form und Größe die verschiedensten Namen tragen kann; Höcker (Tuber), Höckerchen (Tuberculum), Rauhigkeit (Tuberositas), Kamm oder Leiste (Crista) u. a. Von Jugend an Gelähmte besitzen solche Modellierungen ihrer Knochen nicht. Knochenanbau erfolgt nämlich vor allem auf Zugbelastung. So reagieren die Knochen mit Zuwachs bei Kräftigung der Muskulatur durch Training. Hingegen induziert direkte, intermittierende Druckbelastung Bereitstellung von Osteoklasten, die den Knochen so weit abbauen, bis er druckfrei ist. Beispiele hierfür sind die Arterienrinnen an der Innenseite des Schädels oder die Wanderung eines Zahns in eine Lücke (s. S. 404). Knochenbruchheilung. Sowohl die äußere Knochenhaut (Periost) als auch die innere Knochenhaut (Endost), die der Compacta und Spongiosa innerhalb des Knochens anliegt, sind jederzeit fähig, neue Knochensubstanz zu bilden. Nur durch sie erfolgt die Heilung von Knochenbrüchen, den Frakturen154. Durch den Reiz der Verletzung, mit der jeweils auch eine Blutung (aus den VOLKMAN Nschen und HAVERSschen Gefäßen) verbunden ist, bilden sie den Kallus155, einen überschüssig gebildeten jugendlich geflechtartigen Knochen, der die Bruchstücke , wie eine Muffe übergreifend, miteinander verbindet. Dieser Geflechtknochen wird später wieder in Lamellenknochen umgebaut. Das Ideal einer vollkommenen

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SHARPEY, W., 1802-1880, Anatom in Edinburgh und London. fractúra (lat.) – Bruch. cállus (lat.) – Schwiele, Narbe.

Brucheinrichtung wird wegen der Zugspannung der gereizten Muskulatur nur selten erreicht; trotzdem hält auch der uneben verheilte Knochenbruch und wird seinen Belastungsanforderungen gerecht, da die Lamellensysteme den veränderten Druck- und Zugspannungen angepaßt werden. – Knochenbrüche werden „eingerichtet“ und anschließend durch eine feste Manschette (Gipsverband) fixiert. Längeres Belassen des Gipses (über 4 Wochen) sollte man vermeiden, da in ruhig gestellten Knochen vermehrt Osteoklasten aktiviert werden, die den außer Funktion gesetzten und damit „unnützen“ Knochen durch Abbau von Gewebe schwächen. (Auch die inaktivierte Muskulatur beginnt zu atrophieren21). Formen der Knochenbrüche. Man unterscheidet zwei Formen: Beim einfachen (geschlossenen) Bruch ist die Haut darüber unverletzt; der Bruch kann dabei aber trotzdem vielfach gesplittert sein. Beim komplizierten (offenen) Bruch ist die Haut von außen oder innen (Knochensplitter) verletzt, was zur Komplikation durch Infektion führen kann.

Knochenmark. Die knochensubstanzfreien Räume in den Schäften der Röhrenknochen und zwischen den Spongiosabälkchen sind von Knochenmark ausgefüllt. In alle Knochen ist anfänglich, wie schon beschrieben, bei der Verknöcherung Mesenchym eingewandert. Dieses stellt das primäre Knochenmark dar, das sich einerseits an der Knochenbildung beteiligt und andererseits alsbald Blutzellen hervorbringt (s. S. 269). Auch nachgeburtlich wird zunächst noch in allen Knochen Blut gebildet, das jugendliche Mark sieht deshalb rot aus. Dieses rote Mark bleibt bis ins Alter aber nur in den Knochen des Stammes erhalten; in den Extremitätenknochen dagegen verfettet es und sieht dann gelb aus: sekundäres oder gelbes (weißes) Knochenmark. In jeden Knochen tritt an einer Stelle ein Gefäßpaar (Arterie mit Vene, Vasa nutricia) durch die Außenzone in das Mark zu dessen Versorgung ein.

2.7 Nervengewebe Das Nervengewebe ist das Grundgewebe des Nervensystems, das der Steuerung des Körpers dient. Dieses ist in das Zentralnervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark, und das periphere Nervensystem (PNS), das Ganglien und Nerven umfaßt, gegliedert (vgl. Kap. 15, S. 583ff). In den genannten Abteilungen hat das Nervengewebe in erster Linie die Aufgabe, für eine rasche Übertragung von Signalen zu sorgen. Dies ist entscheidend wichtig für das elementare Geschehen der Reizaufnah-

Nervengewebe 135

me, der Umsetzung dieses Reizes in eine Erregung, der Leitung und Verarbeitung einer Erregung und letztlich der Erregungsbeantwortung (vgl. S. 175). Dabei entstammen die zu leitenden Signale allen Regionen des Körpers und werden auch in alle Körperbereiche übermittelt; dies macht verständlich, daß das Nervengewebe so gut wie in allen Teilen des Körpers vorkommt. Nur wenige Strukturen sind nicht innerviert, also frei von Nervengewebe, wie die sichtbaren Anteile der Nägel und Haare (im Gegensatz zu deren Wurzeln!) Das Nervengewebe besteht aus zweierlei Zellformationen, Nervenzellen (Neuronen, Neurocyten156, Ganglienzellen) und Gliazellen (Gliocyten157). Dabei fallen den Neuronen die eher spezifischen Funktionen des Nervensystems zu: Sie dienen der Erregungsleitung und -verarbeitung. Die Gliazellen, die den Nervenzellen in allen ihren Anteilen stets sehr dicht anliegen, unterstützen die Neuronen in ihren Aktivitäten; sie vermitteln die Ernährung der Nervenzellen, sorgen für die Aufrechterhaltung eines konstanten Ionenmilieus und übernehmen Abwehraufgaben im Gewebsverband. Insofern könnte man den Gliazellen Hilfsfunktionen zuschreiben, die denen des Organ-Bindegewebes (Stroma, vgl. S. 104) entsprächen, die Neuronen wären dann „das Parenchym des Nervensystems“. Diese Betrachtungsweise ist jedoch nicht korrekt, denn beide Zellformationen bedingen sich gegenseitig und wirken funktionell zusammen, wie das Beispiel der rasch leitenden Nervenfaser eindrücklich zeigt (vgl. S. 146). Neuronen und Gliazellen entstehen in der Embryonalentwicklung sehr früh aus einem gemeinsamen Anlagematerial. Aus dem Ektoderm des Keimschildes falten sich das Neuralrohr und die Neuralleiste ab, die zunächst aus Neuroepithelzellen bestehen (s. S. 584). Diese differenzieren sich dann zu Neuroblasten und Glioblasten, die sich schließlich zu Neuronen und Gliazellen weiterentwickeln.

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neúron (gr.) – Nerv; hier: Baueinheit des Nervensystems; gánglion (gr.) – Nervenknoten = Ganglion. glía (gr.) – Kitt, Kittsubstanz. perí (gr.) – um herum; káryon (gr.) – Kern. synápsis (gr.) – Verbindung; von syn – zusammen und (h)áptein – haften, halten. déndron und déndros (gr.) – Baum. néuron (gr.) – Nerv; Sehne; Neurit = Fortsatz des Neurons.

2.7.1

Nervenzellen

Die Nervenzellen (Abb. 2/23, Farbtafel 2) gehören zu den größten Zellen des Organismus. Dabei sind Größenangaben nicht einfach zu machen, da in der Regel die Neuronen sehr lange Ausläufer haben, die bis über einen Meter lang sein können. Ihr Zellanteil läßt sich nur schwer identifizieren. Ohne die Nervenzellfortsätze hat der Zellkörper, das Perikaryon158 – so genannt, weil es den Zellkern und das den Kern umgebende Cytoplasma umfaßt –, einen Durchmesser von 5 µm bis zu 100 µm und mehr (vgl. S. 3). Obwohl Neuronen stark gegliedert und damit praktisch nicht überschaubar sind, stellen sie morphologisch, funktionell, stoffwechselmäßig und entwicklungsgeschichtlich selbständige Einheiten dar. Physiologisch wirksam wird das einzelne Neuron aber nur im Verband mit einer anderen Nervenzelle oder einem Erfolgsorgan; hierzu ist jeweils eine spezialisierte Kontaktstelle, Synapse159 genannt, zwischen den Zellen erforderlich. 2.7.1.1

Bau der Nervenzelle

Die weitaus größte Zahl der Neuronen – der menschliche Organismus soll insgesamt 25 Milliarden, davon allein die Großhirnrinde 14 Milliarden Nervenzellen enthalten – besteht aus drei Anteilen, und zwar aus – dem Perikaryon und – den Zellfortsätzen, die von – einem oder mehreren Dendriten160 und stets nur – einem Neurit161 gebildet werden. Das Perikaryon ist das Stoffwechselzentrum des Neurons, es werden ihm aber auch Signale übermittelt und offenbar ist es in der Lage, Signale zu speichern ( S. 691). Die Dendriten, die stets baumartig gegliedert und verzweigt, z. T. auch langgestreckt sind, haben die Aufgabe, Reize aus der Umwelt oder Innenwelt des Körpers zu empfangen; das Dendritensystem hat Rezeptor(Sensor-)funktion. Die wahrgenommenen Reize werden in Erregungen umgewandelt und zum Perikaryon hin, also afferent geleitet. Der Neurit leitet Erregungen in Form von Impulsen weg vom Zelleib, hin zu nachfolgenden Neuronen oder anderen Zellen, z. B. einer Muskelzelle. Der Neurit leitet also efferent, er hat Effektorfunktion. Morphologische Strukturen,

136 Gewebe

die den funktionellen Zustand eines Nervenzellfortsatzes charakterisieren könnten, fehlen fast vollkommen. Perikaryon. Dieses trophische162 Zentrum der Nervenzelle enthält den relativ großen, locker strukturierten auffallenden Zellkern. Ein Nucleolus ist stets vorhanden. Mitotische Teilungsfiguren trifft man nur bei undifferenzierten Nervenzellen, den Neuroblasten. Schon bald nach der Geburt bis längstens zum Ende des 1. Lebensjahres teilen sich immer weniger Neuroblasten; anschließend werden keine Nervenzellen mehr produziert. Es sterben dann täglich bis zu 100 000 Neuronen ab, die nicht nachgebildet werden können. Mit ein Grund für das Ausbleiben von Mitosen ist wohl, daß differenzierte Nervenzellen keine Centriolen mehr haben (vgl. S. 17). Das den Zellkern umgebende Cytoplasma – hier auch Neuroplasma genannt – ist reich an Mitochondrien, filamentösen und tubulären Strukturen (die in der Lichtmikroskopie unter dem Begriff Neurofibrillen zusammengefaßt werden) und vor allem an rauhem endoplasmatischen Reticulum, GOLGI-Feldern und vesikulären Strukturen. Die Anteile des rER sind zu vielen kleinräumigen Stapeln geordnet, die, nach entsprechender Anfärbung, im Lichtmikroskop als granuliertes bis fleckiges Ergastoplasma, auch 162 163

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tréphein (gr.) – ernähren. N ISSL, F., 1860-1919, Professor der Psychiatrie in Heidelberg und München. In der Musterung an das Fell des Tigers erinnernd. substántia nígra (lat.) – schwarze Substanz. núcleus rúber (lat.) – roter Kern.

N ISSL163-Schollen oder Tigroid164-Substanz genannt, auffallen. Auch zwischen den Membranen des ER liegt eine Vielzahl freier Ribosomen. Neben diesen der Proteinsynthese dienenden Organellen sind die Strukturen der endgültigen Fertigstellung der Eiweißkörper, wie GOLGI-Felder und Lysosomen, ebenfalls zahlreich vertreten. An Proteinen werden – wie allgemein üblich – Struktur- und Funktionsproteine hergestellt. Die ersteren sind erforderlich, weil eine Nervenzelle sich in ständigem Umbau oder Ausbau, besonders im Bereich der Endstrukturen von Dendriten und Neurit, befindet; die Funktionsproteine sind speziell den Vorgängen der Erregungsübertragung zugeordnet. Dies hat zur Voraussetzung, daß im Neuron ausgiebige Transportprozesse ablaufen, die vom Perikaryon bis zu den Endstrukturen der Fortsätze reichen, und umgekehrt. In diesem Zusammenhang sind die Mikrotubuli bzw. Neurotubuli von Bedeutung, die sich in die Fortsätze hinein erstrecken und als „Leitschienen“ für den axonalen Transport (s. u.) gelten. In den Perikarya treten verschiedentlich auch Pigmente auf, wodurch in einigen Regionen des Gehirns makroskopisch sichtbare, gefärbte Areale zustande kommen. Zum Beispiel enthalten die in der Substantia nigra165 gelegenen Zellkörper schwarzes Melanin; innerhalb des Nucleus ruber 166 sind die Perikarya aufgrund ihres Gehalts an eisenhaltigen Pigmenten rot gefärbt. (Beide Areale liegen im Zwischenhirn; vgl. S. 603). Die genannten Pigmente gelten als nicht weiter abbaubare lysosomale Reste (vgl. S. 15). Dendriten. Oft haben die Neuronen mehrere kurze, stark gegliederte Dendriten, die an Bäu-

Farbtafel 2: Nervenzell-Formen. a) Multipolare Nervenzelle aus dem motorischen Vorderhorn des Rückenmarks. Dargestellt sind die „Neurofibrillen“ des Perikaryons sowie der Nervenzellfortsätze. Die Nervenzelle wird von einer Vielzahl von Nervenund Gliazell-Fortsätzen umgeben (nicht unterscheidbar). Versilberungstechnik. 500:1. b) Multipolare Nervenzellen aus dem Stratum gangliosum des Kleinhirns = PURKINJE-Zellen. Die Dendritenbäume aller fünf Neurone liegen in einer Hauptebene (Spalierbaum-Anordnung); am 2. Neuron (von oben) ist der Abgang des Neuriten, der von feinsten Nervenzellfortsätzen umsponnen ist, erkennbar. Versilberungstechnik. 250:1. c) Bipolare Neuronen aus dem Ganglion des Hörorgans (Ganglion spirale). In nur wenigen Fällen ist sowohl der dendritische als auch der neuritische Zellpol angeschnitten; alle Neuronen sind gleich orientiert. Die Neuriten bilden ein Faserbündel des Hörnerven (unterer Bildbereich). Die kleinen Zellkerne gehören zu Gliazellen. Azokarmin-Anilinblau (Azan)-Färbung. 400:1. d) Multipolare Neuronen eines vegetativen Grenzstrang-Ganglions. Die größeren Perikarya jeweils mit mehreren, z. T. nur kurz angeschnittenen Fortsätzen. Die umgebenden Gliazellen (Mantelzellen) sind über ihre (kleinen) Zellkerne erkennbar. Hämalaun-Eosin-Färbung. 400:1.

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a

b

c

d

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Abb. 2/23: Hauptformen der Nervenzellen. Schema. a) Multipolare Ganglienzelle. a – Perikaryon, b – Dendrit, c – Neurit. Der Neurit ist in diesem Beispiel myelinisiert = markhaltig; die Gliazellen sind gelb dargestellt. Er gibt nach rechts eine d – Kollaterale ab und endet über das e – Telodendron mit einer f – motorischen Endplatte an einer Skelettmuskelfaser. b) bipolare Ganglienzelle, c) pseudounipolare Ganglienzelle. – Die Richtungen der Erregungsleitung sind jeweils durch Pfeile angegeben.

me – im Falle von PURKINJE 167-Zellen in der Kleinhirnrinde sogar an Spalierobstbäume – erinnern. Dickere Fortsätze enthalten NISSL-Schol167

PURKINJ E, J., 1787-1869, Professor der Physiologie in Breslau und Prag.

len, Mitochondrien, Neurofilamente und Mikrotubuli. Auffallend und von großer funktioneller Bedeutung sind die vielen Synapsen (s. unten), die an den Endzweigen der Dendriten liegen und über die Impulse anderer Nervenzellen auf einen Dendriten bzw. sein Neuron übermittelt werden. Die Dendriten der PURKINJE-

Nervengewebe 139

Zellen sollen bis zu 200 000 Synapsen tragen, in der Regel ist ihre Zahl jedoch geringer, wie bei den motorischen Vorderhornzellen des Rükkenmarks (vgl. S. 592), die bis zu 6 000 Synapsen eingehen. Neurit. In der Regel ist der (stets in Einzahl vorhandene) Neurit einer Nervenzelle sehr viel länger als das Dendriten-System; er dient der efferenten Erregungsleitung. Seine Abgangsstelle am Perikaryon ist annähernd trichterförmig gestaltet und immer frei von rER-Schollen, sodaß dieser Bereich sich als Ursprungskegel vom umliegenden Neuroplasma des Perikaryons abhebt. Der Anfangsteil des Neuriten ist das Initial168Segment; dieser Bereich ist etwas dicker als der dann bis zum Ende des Neuriten konstant gleichmäßig dicke, u. U. bis zu 1 m lange Abschnitt. Seitenäste des Neuriten, die hauptsächlich in Nähe des Perikaryons abgehen, um zum eigenen Perikaryon oder zu anderen Nervenzellen zu ziehen, nennt man Kollateralen169. Das Ende des Neuriten ist meistens baumartig zum Telodendron170 entwickelt, dessen Endformationen, wiederum Synapsen, Impulse auf ein nachfolgendes Neuron oder auf eine Erfolgszelle (Muskel- oder Drüsenzelle) übertragen. Aufgrund seiner baumartigen Gestaltung erreicht das Telodendron in der Regel eine größere Anzahl von Erfolgsstrukturen. Sofern die Nervenzellfortsätze (speziell die Neuriten, aber auch ein Teil der Dendriten) von bestimmten Gliazel-len hüllenartig im Sinne von Markscheiden umgeben sind, werden sie als Axone171 bezeichnet. Axon und Markscheide bilden zusammen die Nervenfaser (s. u.). Da fern vom Perikaryon der zentrale Anteil einer Nervenfaser morphologisch nicht als Neurit zu identifizieren ist, wird dieser neutral Achsenzylinder oder Axon genannt. Allerdings wird in der neueren, haupt-

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inítio (lat.) – Anfang; segméntum (lat.) – Einschnitt, Abschnitt. con- (lat.) – zusammen mit; laterális (lat.) – seitlich, auf der gleichen Seite, benachbart. télos (gr.) – Ziel, Ende, Abschluß; déndron (gr.) – Baum, hier: Endbaum . áxon (gr.) – Achse, hier: Achsenzylinder der Nervenfaser. ánte (lat.) – vor, vorne; grádus (lat.) – Schritt, Stufe; hier: vorausschreitend, nach vorne schreitend. rétro- (lat.) – hinter, rückwärts, zurück; grádus (lat.) – Schritt, Stufe, hier: rückschreitend.

sächlich neurophysiologischen Literatur der Begriff Neurit dem des Axon gleichgesetzt oder nur noch vom Axon gesprochen. Das Axoplasma, also der Cytoplasma-Anteil des jeweiligen Glia-umhüllten Neuriten oder Dendriten, ist neben Mitochondrien und ER-Cisternen vor allem reich an Neurofilamenten und Neurotubuli sowie vesikulären Strukturen. Die Letztgenannten werden mit Transportprozessen in Zusammenhang gebracht: Speziell bei Neuriten ist das Axoplasma in stetem Fluß, wobei die Fließbewegungen, die mehr zentral und entlang der Neurotubuli erfolgen, mit einer Geschwindigkeit von 100-400 mm/Tag relativ rasch sind und den schnellen axonalen Transport ausmachen. In den Randbezirken des Axoplasmas, unter dem Axo(=Plasma)-lemm, ist die Fließgeschwindigkeit geringer; der dort ablaufende langsame axonale Transport beträgt bis zu 8 mm/Tag. Beide Transporte erfolgen wegführend vom Perikaryon, also anterograd172. Es existiert aber auch ein zum Perikaryon hinführender oder retrograder173 Transport, der immer langsam und im randständigen Axoplasma abläuft. Der dentritische axonale Transport ist immer langsam und erfolgt ausschließlich hin zum Perikaryon. 2.7.1.2

Klassifikation der Nervenzellen

Im wesentlichen zeigen alle Neuronen die selben Strukturmerkmale. Aufgrund der Anzahl und der Verzweigung ihrer Fortsätze, die den Perikarya an gegenüberliegenden Polen entspringen und die eine morphologische Polarisierung der Neuronen bewirken, sind sie jedoch in Gruppen einzuteilen; zudem sind die Neuronen bzw. Perikarya recht verschieden groß. (Auch im Hinblick auf ihre physiologischen Leistungen [vgl. S. 142 und S. 156ff] sind die Nervenzellen untereinander nicht gleich). Die Nervenzellen entwickeln sich aus Neuroblasten, die zunächst mehr oder weniger rund sind und keine Fortsätze haben: Apolarer Neuroblast. (Obwohl solche Zellen keine Polarität erkennen lassen, haben sie meist schon einen Rezeptor(Sensor)- und einen Effektor-Pol; sie sind bereits frühzeitig funktionell polarisiert). Entwickelt ein Neuroblast seine Fortsätze, dann kann die Differenzierung zum fertigen Neuron auf jeder Entwicklungsstufe eintreten. Auf diese Weise entstehen unterschiedliche Formen differenzierter Nervenzellen:

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– unipolare Neuronen, – bipolare Neuronen, – pseudounipolare Neuronen und – multipolare Neuronen 174. Unipolare Neuronen. Solche Nervenzellen sind nur mit einem Fortsatz, einem kurzen Neuriten, ausgestattet. Sie kommen nur in der Netzhaut des Auges als lichtempfindliche Sinneszellen vor (vgl. S. 557). Ihre Unipolarität ist jedoch problematisch, da die Reizaufnahme- und die Erregungsabgabeseiten morphologisch und funktionell nicht eindeutig bestimmt sind. Bipolare Neuronen. Die Nervenzellen haben zwei Fortsätze, einen Dendrit und einen Neurit, die jeweils an entgegengesetzten Polen dem Perikaryon entspringen. Auch diese Zellen sind selten; sie befinden sich u.a. im Ganglion des Gehörorgans (Farbtafel 2, vgl. S. 137) und in der Netzhaut des Auges (vgl. S. 558). Pseudounipolare Neuronen. Diese Neuronen sind nur scheinbar unipolar: Sie haben anfangs ihrer Entwicklung zwei Fortsätze; die Abgänge von Dendrit und Neurit wachsen dann aufeinander zu und vereinigen sich zu einem (gemeinsamen) Axonkegel. Der freie Zellfortsatz ist nach kurzem, oft stark gewundenem Verlauf T-förmig geteilt. Ein Ast entspricht dem Dendriten, der von der Körperperipherie Impulse bis zur T-förmigen Teilungsstelle des Nervenzellfortsatzes führt und, da er myelinisiert ist, dendritisches Axon genannt wird. Der andere, ebenfalls markhaltige Fortsatz ist der Neurit, der kurz als Axon

bezeichnet wird. Pseudounipolare Nervenzellen besetzen die sensiblen Spinal- und Hirnnervenganglien (vgl. S. 584). Die von peripher (z. B. der Haut, Hautsensibilität) nach zentral (Rückenmark, Gehirn) zu leitenden Erregungen durchlaufen das dendritische und neuritische Axon direkt; die Impulse gehen also nicht über das Perikaryon des pseudounipolaren Neurons. Dieses hat vor allem trophische Funktionen. Multipolare Neuronen (Farbtafel 2, Abb. 2/23, 2/24). Hierunter fallen die meisten Nervenzellen. Sie besitzen zahlreiche Dendriten, die unterschiedlich stark verzweigt sein können, aber, wie alle anderen Nervenzellen auch, nur einen Neuriten. Je nach der Länge der Neuriten und Ausbildung der Dendritenbäume, auch nach ihrer Entdeckungsgeschichte bzw. ihren Entdekkern, lassen sich mehrere Formen von multipolaren Neuronen unterscheiden, die sowohl im ZNS als auch im PNS vorkommen. Als typisches multipolares Neuron sei die motorische Vorderhornzelle des Rückenmarks genannt. Als besondere Form des multipolaren Neurons gelten die neurosekretorischen Zellen im Hypothalamus175 (vgl. S. 604). Diese Zellen produzieren Neurosekrete, d. h. Neurohormone (z. B. die Neuropeptide Oxytocin, Vasopressin), die, in 100-200 nm große Vesikel verpackt, axonal transportiert und an spezialisierten Nervenendigungen (neurohämale Synapsen), die in der Hypophyse 176 (vgl. S. 677 und S. 706ff) liegen, in die Blutbahn eingeschleust werden. 2.7.1.3

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únus (lat.) – eins; bi-, bin- für bis (lat.) – zweimal; pseudo- (lat.) – scheinbar, falsch; múltus (lat.) – viel, zahlreich. hypothálamos (gr.) – der unter dem Thalamus liegende Teil des Zwischenhirns; hypo- (gr.) – unterhalb; thálamos (gr.) – Schlafzimmer, Gemach. hypophyseos ´ (gr.) – unterer Hirnanhang; hypo- (gr.) – unterhalb; phyein ´ (gr.) – wachsen.

Synapsen

Synapsen dienen der Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen untereinander und zwischen Nervenzellen und Erfolgszellen bzw. Erfolgsgewebe, wie Drüsenzellen, Muskulatur und anderen. Morphologisch betrachtet handelt es sich um hoch spezialisierte Regionen des Kontaktes zwischen den Nervenzellen untereinander bzw. den Nervenzellen und den zu innervier-

Abb. 2/24: Formen der Ganglienzellen sowie Gliazelle. a) Pseudounipolare Ganglienzelle, umgeben von Mantelzellen (Gliazellen). Die Abgangsstelle des Ganglienzellfortsatzes ist frei von Ergastoplasma. Spinalganglion; 480:1. b) pseudounipolare Ganglienzelle mit spezieller Darstellung der GOLGI-Felder als kurze, gewundene Fäden. Die Zellkerne sind nicht dargestellt; ihre Areale erscheinen leer. 480:1. c) Multipolares Neuron aus dem motorischen Vorderhorn des Rückenmarks: Das Cytoplasma ist reich an NISSL-Schollen (Ergastoplasma; dieses entspricht dem rauhen endoplasmatischen Reticulum). 320:1. d) Astrogliazellen. Ein Teil der Zellen tritt mit langen Ausläufern an das zentral liegende Blutgefäß heran. Großhirnrinde. 320:1.

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enden Strukturen. Mit Ausnahme der motorischen Endplatten (vgl. S. 188) sind die Synapsen sehr klein; im Lichtmikroskop werden sie nach Anwendung spezieller methodischer Verfahren177 z. T. als knopfförmige oder dornenartige Gebilde an Perikarya und Nervenzellfortsätzen sichtbar. Die Strukturdetails der Synapse erkennt man nur im Elektronenmikroskop. Synapsen werden schon frühzeitig während der Entwicklung des Organismus gebildet, aber erst nach der Geburt setzt ein enormer Synapsenschub ein. Für die Synapsenbildung ist entscheidend, daß die sensiblen Systeme mit zunehmender Entwicklung des Körpers auch vermehrt Afferenzen in das ZNS senden und die einlaufenden Impulse „verschaltet“, also synaptisch übertragen werden müssen. Synapsen bilden sich in allen Altersstadien des Menschen, bis hin ins Alter. Nicht genutzte bzw. nicht mehr betätigte Synapsen können offenbar auch wieder aufgegeben werden. Die Erregungsübertragung (s. auch S. 153ff) erfolgt an den allermeisten Synapsen auf chemischer Grundlage (chemische Synapse). Beim Menschen sind elektrische Synapsen (auch physikalische oder elektrotonische Synapse genannt) selten; sie kommen in bestimmten Arealen des Hirnstammes vor. Hierbei kontaktieren sich die Neuronen über gap junctions (s. S. 90); durchtretende Elektronen übertragen einen Impuls ohne Zeitverlust. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Lage zwischen den Nervenzellen sowie zwischen Nervenzellen und Erfolgszellen (Effektorzellen) lassen sich die Synapsen folgendermaßen einteilen: Liegt die Verbindung zwischen zwei Neuronen, dann ist 177

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Versilberungstechnik: Silbersalze werden an Nervenfasern (unspezifisch) zu Silber reduziert, das im Mikroskop dunkel erscheint. – Enzymhistochemie: Aktivitätsnachweis von Enzymen, die einen Transmitter auf- oder abbauen. – Fluoreszenzmikroskopie: Umwandlung des Transmitters in ein fluoreszierendes Produkt, das im Fluoreszenzmikroskop aufleuchtet. – Immunhistochemie: Bindung eines spezifischen, markierten Antikörpers an den Neurotransmitter des Neurons; mikroskopische Auswertung. sóma (gr.) – Körper. glándula (lat.) – kleine Eichel, Kügelchen; von glans – Eichel; hier: Drüse. haíma (gr.) – Blut. prae = pre – paraí (gr.) – vor. sub- (lat.) – unterhalb.

die interneuronale Synapse gegeben; diese kann sich zwischen einem Axon (= Neurit) und einem Dendriten befinden, es handelt sich um eine axodendritische Synapse. Zwischen einem Axon und dem Perikaryon eines zweiten Neurons kann sich eine axosomatische178 Synapse ausbilden und schließlich kontaktieren sich Axone über axoaxonale Synapsen. Zwischen Nerven- und Muskelzellen bzw. -fasern liegen neuromuskuläre Synapsen, die auch motorische Endplatten genannt werden. Schließlich werden Drüsen über neuroglanduläre179 Synapsen innerviert und ein neurosekretorisches Neuron (s. o.) endet mit einer neurohämalen180 Synapse an einem Blutgefäß. 2.7.1.3.1

Bau der chemischen Synapse

Als typischer Vertreter der chemischen Synapse gilt die sehr häufige axodendritische Synapse, auf die hier beispielhaft eingegangen wird (Abb. 2/25, 2/26). Die Synapse gliedert sich in eine – präsynaptische181 Membran, einen – synaptischen Spalt, eine – subsynaptische182 Membran und eine Vielzahl – synaptischer Vesikel als Transmitterorganellen. Die präsynaptische Membran wird vom Axon (Neurit) des 1. Neurons gebildet und ist ein meist 0,5 µm großer, kolbenförmig gestalteter Abschnitt des Axolemms. Im Synapsenbereich liegt dieser Membran (wie auch der subsynaptischen Membran) keine Markscheide (Myelinlamelle; s. u.) auf. Die Membraninnenseite ist durch Membranauflagerungen gekennzeichnet: Diese bilden ein sechseckiges Netzwerk, und zwar so, daß die Hauptmasse der Auflagerungen die Knotenpunkte des Netzes bilden. Die hexagonalen Maschenlücken werden von einem Plasmalemm überspannt, das von den synaptischen Bläschen beim synaptischen Geschehen besonders leicht exocytotisch überwunden wird. Auf der präsynaptischen Seite fallen außer den vielen mit Transmitter angefüllten Vesikeln Mitochondrien auf. Der synaptische Spalt liegt zwischen der präsynaptischen Membran des 1. Neurons und der subsynaptischen Membran der angeschlossenen 2. Nervenzelle. Er hat eine ziemlich konstante

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Abb. 2/25: Axodendritische Synapse. EM. Auf präsynaptischer Seite (= Axon) mehrere Mitochondrien und, in Nachbarschaft zur präsynaptischen Membran, viele synaptische Vesikel. Diese fehlen auf der postsynaptischen Seite. 60 400:1.

Abb. 2/26: Axodendritische Synapse. Schema. Die synaptisch verbundenen Strukturen sind vom Interzellularspalt, glialen und neuronalen Strukturen (gerastert) umgeben. a – Axon = Neurit, b – präsynaptisches Endköpfchen, c – präsynaptische Membran mit synaptischen Verdickungen, d – synaptische Vesikel, e – Neurotubuli = Mikrotubuli, f – Mitochondrien, g – synaptischer Spalt, h – synaptische Membran, i – postsynaptische Membran, k – Dendrit.

Breite von entweder ca. 16 oder ca. 30 nm. Der Synapsenspalt ist Teil des allgemeinen Interzellularraums, in den er im Randbereich übergeht. Im synaptischen Spalt liegen filamentartige Materialien, die die beiden Membranen miteinander verbinden. Die subsynaptische Membran ist Teil des Neurilemms des 2. Neurons, bei der axodendritischen Synapse also eines Dendriten. Die lnnenseite der Membran ist von Materialverdichtungen sowie Filamenten besetzt, die aber kein An-

ordnungsmuster erkennen lassen. Außerhalb des Synapsenbereichs geht die subsynaptische Membran in die postsynaptische183 Membran über; der dendritische Teil der Synapse wird folgerichtig als deren postsynaptische Seite bezeichnet. Auf dieser Seite gibt es keine synaptischen Bläschen. Dies ist ein morphologisches Zeichen dafür, daß an der chemischen Synapse die Neurotransmission nur in eine Richtung – von der präauf die postsynaptische Seite – abläuft. Die synaptischen Vesikel liegen in großer Zahl auf der präsynaptischen Seite und enthalten den chemischen Überträger, den Neurotransmitter184. Dieser ist mit morphologischer Methode

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post (lat.) – hinter. transmíttere (lat.) – hinübersenden.

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Abb. 2/27: Myelinisierung von Nervenzellfortsätzen = Bildung von Nervenfasern. Der Vorgang verläuft in Pfeilrichtung, kann aber in jedem Stadium zum Stillstand kommen. Bei den beiden rechten Teilbildern wird nur ein Axon ummantelt. a – SCHWANNsche Gliazelle, b – Axon, c – Mesaxon, d – Myelinlamellen.

nicht direkt zu charakterisieren, kann aber z. T. erschlossen werden, da Vesikel in bestimmter Form und Größe in der Regel den Vertreter einer bestimmten Transmitter-Gruppe beinhalten. Runde, hell erscheinende 20-30-nm-Vesikel enthalten Acetylcholin. Ovale helle 20-nm-Vesikel führen meist Gammaaminobuttersäure und runde 40-60-nm-Vesikel, die (nach entsprechender Behandlung des Gewebes) dunkel sind, enthalten biogene Amine185: die Katecholamine Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin sowie das Tryptamin Serotonin. Zwischen 100-200 nm messende Bläschen führen Peptide. So kann man, je nach Art des Transmitters, eine chemische Synapse als cholinerg186, katecholaminerg, peptiderg, usw. bezeichnen. In der Regel kommen in einer Synapse nur Bläschen eines Transmitter-Typs vor. Es sind aber auch Synapsen mit zwei oder mehreren Transmittern beschrieben worden; man nimmt an, daß an solchen Synapsen die Wirkung des „Haupttransmitters“ abgestuft (moduliert) werden kann. – Außer den oben erwähnten „klassischen“ Transmittern sind heute eine Vielzahl neuroaktiver Substanzen bekannt, die in vielen Fällen in nur kleinräu-

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= ein Amin mit biologischer Wirkung im Organismus. érgon (gr.) – Arbeit; Leistung; hier: mit Acetylcholin arbeitend. myelós (gr.) – Mark.

migen Arealen des Nervensystems auftreten (vgl. S. 171ff, S. 694). Der Vorgang der Erregungsübertragung an Synapsen ist auf S. 165ff dargestellt. 2.7.1.4

Nervenfasern, Nerven und Tractus

Beim erwachsenen Menschen haben alle Nervenzellfortsätze eine enge Beziehung zur Glia: Sie sind von einer Myelinscheide187 umgeben (Abb. 2/23, 2/29). Allerdings ist die Glia-Hüllschicht nicht in allen Bereichen des Organismus gleich ausgebildet; man unterscheidet stark myelinisierte oder markhaltige Axone sowie schwach myelinisierte (markarme) und marklose Axone. Als Axone fungieren Dendriten und Neuriten, wobei im allgemeinen die Neuriten stärker myelinisiert sind. Allerdings gibt es im PNS auch sehr lange Dendriten mit dicker

Links: Abb. 2/28: Längsschnitt durch eine Nervenfaser im Bereich eines RANVIERschen Schnürringes. EM. Zur Benennung der Strukturen siehe Abb. 2/29. 41 000:1. Rechts: Abb. 2/29: Räumliche Darstellung einer längs (und quer) angeschnittenen Nervenfaser im Bereich eines RANVIERschen Schnürringes. a – Axon, b – Myelinlamellen der SCHWANNschen Zelle, c – Kern der SCHWAN Nschen Zelle, d – Basalmembran. Im Axon liegen in dessen Längsrichtung Mikrotubuli = Neurotubuli und Neurofilamente sowie Mitochondrien.

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Myelinummantelung, und zwar die der pseudounipolaren Spinalganglienzellen. Axon und Axonscheide (also die gliale Myelinscheide) bilden eine morphologische und funktionelle Einheit, die Nervenfaser. Nervenfasern sind charakteristisch für das ZNS und das PNS. In beiden Abteilungen verlaufen die Nervenfasern zum weitaus größten Umfang nicht einzeln, sondern zu „Kabeln“ gebündelt. Diese sind im PNS durch Bindegewebe stufenweise zu größeren „Kabelbäumen“ zusammengefaßt bzw. aufgebaut, den Nerven. Das ZNS ist dagegen bindegewebsfrei; die Faserbündel sind hier über Gliazellen nicht allzu deutlich gegeneinander abgeteilt und bilden Faserzüge, Tractus188, die sich in bestimmten Arealen des ZNS auch durchflechten. Der wesentliche Unterschied zwischen den Nervenfasern des ZNS und des PNS besteht darin, daß die Myelinscheiden im ZNS von andersartigen Gliazellen als die im PNS aufgebaut werden. Die Myelinscheiden sind jedoch prinzipiell gleichartig und auch ihre Entwicklung erfolgt in beiden NS-Anteilen nach dem gleichen Prinzip. – Innerhalb des Zentralnervensystems (ZNS) werden die Myelinscheiden von Cytoplasmafortsätzen der Oligodendrogliazellen189 gebildet, wobei eine Gliazelle mit mehreren Fortsätzen mehrere Ummantelungen an mehreren Axonen ausführt. – Im peripheren Nervensystem (PNS) umhüllen S CHWANN -Zellen190 die Axone direkt: 188

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tráctus (lat.) – Zug. Langgestrecktes; hier: Nervenbahn. olígos (gr.) – wenig; déndron (gr.) – Baum. SCHWANN, T., 1810-1882, Professor der Anatomie in Löwen und Lüttich. méso- (gr.) – mittel, halb-, dazwischen; áxon (gr.) – Achse, Achsenzylinder; hier: "Das Axon liegt dazwischen" (zwischen den Plasmalemmanteilen). Gebildet in Anlehnung an das "Aufhängeband des Darmes" (énteron, gr.): Mesenterium.

Eine Gliazelle baut stets nur eine Myelinisierungseinheit auf. Der SCHWANN-Zelle liegt außen eine Basalmembran auf, auf diese folgt reticuläres Bindegewebe. Markhaltige Nervenfaser. Die Markscheiden bildende Gliazelle baut um das Axon herum eine spiralig angeordnete Abfolge von Proteinund Lipidlamellen auf, die insgesamt als Mark bezeichnet werden. Die regelmäßige Lamellenanordnung kommt dadurch zustande, daß während der Markscheidenbildung die myelinisierende Zelle oder ihre Fortsätze sich plattenartig ausdünnen und sich dann rotierend um ein Axon bewegen und sich dabei aufwickeln bzw. das Axon umwickeln. So können bis zu 50 Lagen von Myelinlamellen zustandekommen, die eine gewisse elektrische Isolierung des Axons bewirken. Die Markscheide dient aber auch der Ernährung des Axons, außerdem ist sie für die Erregungsleitung von Bedeutung: Je länger die Myelinisierungseinheit und je dicker das Axon und die Myelinschicht sind, um so schneller erfolgt die Erregungsleitung (vgl. S. 163). Zu Beginn des Myelinisierungsvorganges drückt sich ein Nervenzellfortsatz mulden- bzw. rinnenartig in die entsprechende Gliazelle ein; durch weiteres Einsenken wird das Plasmalemm der Gliazelle eingefaltet (Abb. 2/27). Ein weit in die Zelle bzw. den Zellfortsatz hineingedrücktes Axon wird vom Plasmalemm der Gliazelle fast vollkommen umlaufen; bis hin zur Einsenkungsstelle liegen die Plasmalemm-Anteile eng parallel zueinander, sodaß das Axon am eingestülpten Plasmalemm „aufgehängt“ oder in die Zelle „hineingehängt“ erscheint. Diese „Plasmalemm-Aufhängung“ des Axons nennt man Mesaxon 191. Im Verlauf der weiteren Entwicklung kommt durch das geschilderte Rotieren eine fortlaufende Verlängerung und Verlagerung des Mesaxons zustande, sodaß letztlich mehrere Membranlagen aufeinander abfolgen. Im Bereich der Wicklungen wird der gliale Cytoplasma-Anteil zwischen den Membranen ebenso wie der mit eingestülpte spaltförmige Interzellularraum re-

Abb. 2/30: Nervenbahnen des zentralen und peripheren Nervensystems. a) Nervenfasern verbinden die graue Substanz der Großhirnrinde mit den dichten Fasersystemen der Tractus der weißen Substanz (hier schwarz!). Links oben ein Blutgefäß. 130:1. b) Peripherer Nerv längs geschnitten. RANVIERsche Schnürringe erkennbar. 320:1. c) d) peripherer Nerv im Querschnitt: c) Gliederung des Nerven in Nervenfaserbündel, die das Perineurium umhüllt. d) Unterschiedlich stark myelinisierte Nervenfasern liegen in demselben Nervenfaserbündel. Zwischen den Fasern das Endoneurium. c – 50:1, d – 320:1.

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duziert, sodaß das fertige Myelin tatsächlich aus einer Abfolge von Protein-, Lipid-, Protein-, usw. Lamellen besteht. Eine Gliazelle bzw. ein Gliafortsatz ummantelt ein Axon auf eine Strecke von 0,2-1,5 mm und bildet so ein Internodium192. Zwischen einem Internodium und dem nächsten besteht eine Einkerbung bzw. ein schmaler Interzellularspalt, der Knoten (Nodus192), besser bekannt als RANVIER193-Schnürring (Abb. 2/28, 2/29). Dieser ist von spezieller Bedeutung für den Vorgang der saltatorischen194 Erregungsleitung (vgl. S. 164). Da am Schnürring die Myelinlamellen durch den Interzellularspalt unterbrochen sind, ist an dieser Stelle die Isolation des Axons schlechter als am Internodium. Dies bewirkt, daß hier bei der Erregung der Nervenfaser am über den Interzellularraum frei zugänglichen Axon ein Ionenaustausch (zunächst ein Na+-Einstrom) erfolgt; es entsteht ein Aktionspotential. Dieses kann aufgrund der isolierenden Wirkung des Internodiums erst am nachfolgenden Schnürring ein weiteres Aktionspotential auslösen, sodaß die Erregung vom einen zum nächsten RANVIER-Schnürring springt, usw. Bei der schnell ablaufenden saltatorischen Erregungsleitung ist die Fortleitungsgeschwindigkeit der Erregung um so größer, je länger (und damit auch dicker) die Internodien sind; die max. Fortleitungsgeschwindigkeit liegt bei 120 m/s (vgl. S. 164).

Besonders die langen Internodien weisen häufig schrägstrich- oder konusartige Einkerbungen auf, die durch Cytoplasmareste verursacht werden, die während des Aufwickelns der Myelinlamellen nicht verdrängt wurden und nun die Regelmäßigkeit der Lamellen-Abfolge „stören“. Diese SCHMIDT-LANTE RMAN195-Einkerbungen ermöglichen offenbar eine gewisse Dehnbarkeit und Flexibilität der Nervenfasern. Sie kommen nur in Nerven, also nur im PNS vor. Man hielt die Einkerbungen lange Zeit für Kunstprodukte der mikroskopischen Technik. 192 193

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inter- (lat.) – zwischen; nódus (lat.) – Knoten. RANVIER, L. A., 1835-1922. Professor der Histologie am Collège de France in Paris. saltáre (lat.) – springen. SCHMIDT, H., 1823-1888, Pathologe in New Orleans. – LANTERMAN, A. J., 1855-1910, stammt aus Cleveland. Anatom in Straßburg; zitiert 1877 H. SCH MIDT. vegetátio (lat.) – Wucherung, Wachstum, Zucht. Veg. NS = unwillkürliches NS, das die Stoffwechselprozesse des Organismus und dessen Wachstum steuert. endo- (gr.) – innen, drinnen.

Markarme und marklose Nervenfaser. Bei Fasern dieses Typs handelt es sich um in der Regel dünne Axone, die entweder in die Hüllzellen bzw. deren Fortsätze nur eingesenkt oder mit 2-5 Lamellen nur schwach myelinisiert sind. Oftmals sind auch mehrere Axone in eine Gliazelle über die entsprechende Anzahl von Mesaxonen eingelagert. Sofern keine Myelinlamellen vorhanden sind, werden die Axone bzw. Fasern auch als marklos bezeichnet. Prinzipiell sind aber alle Nervenzellfortsätze sowohl im ZNS als auch im PNS von Glia umfaßt. Marklose Nervenfasern kommen im ZNS vor allem in der grauen Rindensubstanz und in Kerngebieten vor; im PNS in den EingeweideNerven (vegetatives196 NS; s. S. 666ff) oder als „langsame“ schmerzleitende Fasern. Sie leiten die Erregung langsam weiter: schwach myelinisierte Fasern um 25 m/s, nicht myelinisierte (marklose) Fasern um 0,5-2 m/s (vgl. S. 164). Nerven. Die Bahnsysteme des PNS, die Nerven, verlaufen zwischen der Peripherie des Körpers und dem ZNS. Die zum ZNS leitenden Nervenfasern sind afferent (sensible und sensorische Fasern); vom Zentralorgan wegleitende Fasern sind efferent (motorische und sekretorische Fasern). Die meisten Nerven enthalten Fasern beider Leitungsrichtungen; ein solcher Nerv ist gemischt. In der Regel sind die Fasern eines Nervs auch unterschiedlich dick; stark myelinisierte Fasern kommen neben schwach und nicht myelinisierten Fasern vor (Abb. 2/30); der Nerv ist also auch unter morphologischem Aspekt gemischt. Alle Fasern der Nerven sind in Längsrichtung geordnet, sie verlaufen aber nicht streng parallel, sondern gewellt. Dies erhöht die Dehnbarkeit der Nerven. Ein Nerv umfaßt, je nach Größe, mehrere Tausend Nervenfasern. Diese erfüllen den Nerv aber nicht gleichmäßig, sondern sie werden durch Bindegewebe unterschiedlicher Struktur und Dichte, das gleichzeitig Träger von Blutgefäßen unterschiedlichen Durchmessers ist, zu Bündeln aufsteigender Ordnung zusammengefaßt: Zunächst bilden die Nervenfasern ein Nervenfaserbündel. In diesem werden die einzelnen Nervenfasern, die jeweils von einer Basalmembran umgeben sind, über ein zartes blut- und lymphkapillarreiches reticuläres Bindegewebe untereinander verbunden. Dieses Endoneurium197 genannte Bindegewebe dient der Versorgung der Nervenfasern, ermöglicht aber auch eine geringe Verschiebung der Fasern gegeneinander.

Nervengewebe 149

Abb. 2/31: Gliazellen des Zentralen Nervensystems. Schema. a) Protoplasmatischer (oben) und faserreicher (unten) Astrocyt sitzen mit verdickten Füßchen an einer Kapillare. b) Oligodendrogliazellen, c) Mikrogliazellen.

Ein Nervenfaserbündel ist in seinem äußeren Umfang durch reticuläres, kollagenes und auch elastisches Bindegewebe umfaßt; dieses Perineurium198 kann auch mehrere Nervenfaserbündel zusammenfassen. Die Bindegewebsfasern sind gegenläufig spiralförmig angeordnet; hierdurch ist eine gewisse Dehnbarkeit der Nervenfaserbündel möglich. Im Perineurium verlaufen größere Gefäße. Den Übergang zwischen Nerv und allgemeinem Körper-Bindegewebe bzw. zu einem Nachbarorgan vermittelt das Epineurium199, ein lockeres, verschiebliches Bindegewebe, das aber auch kräftigere Kollagenfaserzüge enthält, die längs des Nerven orientiert sind und dessen Überdehnung verhindern. Bahnen. Da innerhalb des ZNS kein Bindegewebe vorkommt, sind seine Tractus morphologisch nur bedingt den Nerven vergleichbar. Die Nervenfasern verlaufen zwar auch gebündelt, die Bündel sind aber nur von wenig Glia eingefaßt (Abb. 2/30). Dadurch erscheint das Tractus198 199 200

peri- (gr.) – um, herum. epi- (gr.) – auf, über, drüber. pílos (gr.) – Filz; Neuropil – Faserfilz des Nervensystems.

reiche Gewebe des ZNS, die weiße Substanz (vgl. S. 584), ziemlich homogen. Trotzdem läßt sie sich – nach entsprechender Fixierung und Präparation des Gewebes – makroskopisch zerfasern, d. h. in Tractus zerlegen.

2.7.2 2.7.2.1

Glia Glia des zentralen Nervengewebes

Innerhalb des ZNS sind die Räume zwischen den Neuronen fast völlig durch Gliazellen bzw. deren Ausläufer ausgefüllt. Der Interzellularraum erscheint daher extrem eingeengt; in der Regel ist er nurmehr als schmaler Spaltraum von ca. 20 nm Breite vorhanden. Dieses dichte Nebeneinander und Gewirr von Glia und Axonen wird Neuropil200 genannt; es liegt zwischen den Perikarya der Neuronen. Im Vergleich zu den Nervenzellen sind die Gliocyten deutlich kleiner. Obwohl ungefähr die Hälfte der Gesamtmasse des ZNS auf die Gliazellen entfällt (die andere Hälfte auf die Neuronen), gibt es 10mal mehr Gliazellen als Neuronen. Gliazell-Formen (Abb. 2/31). Die Glia des ZNS ist im Hinblick auf Bau, Entwicklung und Funk-

150

Gewebe

tion uneinheitlich. Es wird unterschieden zwischen: – – – – – –

Astrocyten201, Oligodendrocyten202, Mikroglia203, Ependymzellen204, Plexus choroideus205-Zellen, Pituicyten206.

Astrocyten. Diese Zellen sind, ebenso wie die Oligodendrogliazellen, relativ groß; beide Gliaformen bilden gemeinsam die Makroglia. Astrocyten sind fortsatzreich und haben Sternform (Abb. 2/24, 2/31). Sie kontaktieren mit den stempelartig verbreiterten Enden ihrer Fortsätze die Blutgefäße des ZNS im Sinne einer geschlossenen umlaufenden Haut, Membrana limitans gliae perivascularis207 genannt. Auch die Neuronen bzw. Perikarya, die in der Nähe solcher Astrocyten liegen, werden von entsprechenden Fortsatzstempeln erreicht. Die Astrocyten stemmen sich gleichsam zwischen Blutgefäße und Neuronen, und da der Interzellularraum weitgehend reduziert ist (Neuropil), laufen die zwischen Blutgefäßen und Neuronen erforderlichen Transportprozesse intrazellulär über die Astroglia ab; die Astroglia stellt einen „funktionellen 2. Interzellularraum“ dar. Entscheidend hierbei ist, daß die Astroglia gegenüber dem Stoff-Angebot des Gefäßes ein selektives Aufnahmevermögen hat: Bestimmte toxisch wirkende Stoffe werden nicht aufgenommen und damit auch nicht den Neuronen zugeleitet. Es handelt sich hier um einen sehr wirkungsvollen biologischen Schutzmechanismus. Des weiteren kontrolliert die Astroglia die Elektrolyte und die 201 202 203 204

205

206

207

208

astér (gr.) – Stern. s. Fußnote 189, S. 146. micrós (gr.) – klein, kurz. epéndyma (gr.) – Oberkleid; hier: Auskleidung, Überzug der Gehirnhöhlen. pléxus (lat.) – Geflecht; chórion (gr.) – Zottenhaut des Embryos; choroeidés – dem Chorion ähnlich hinsichtlich des Gefäßreichtums. pítuita (lat.) – Schleim. Glándula pituitária (lat.) – Alternativbezeichnung für Hypophyse (vgl. 176). membrána (lat.) – Membran, feine Haut, Pergament; limitáre (lat.) – begrenzen; glía (gr.) – Kitt, gliae (lat.) – der Glia angehörend; peri- (gr.) – um, herum; vasculáris (lat.) – zum (kleinen) Gefäß gehörend. D EL RIO-HORTEGA, P., 1882-1945, Histologe in Madrid, Paris, Oxford, zuletzt Professor der Histologie in Buenos Aires.

übrigen Komponenten der Interzellularflüssigkeit, speziell im Bereich der Perikarya; sie halten das innere Milieu des ZNS konstant. Da sich die Astroglia zwischen die Blutbahnen und die Neurone des ZNS fast lückenlos einfügt, wurde sie zunächst mit der Blut-Hirn-Schranke (Abb. 2/32) in Zusammenhang gebracht. Diese physiologisch wichtige Barriere wird jedoch von den über tight junctions miteinander dicht verbundenen, porenfreien und mit selektiver Stoffdurchlässigkeit ausgestatteten Endothelzellen der Kapillaren (vgl. S. 336) bestimmt: So passiert ein in die Blutbahn gegebener Farbstoff, z. B. Trypanblau, die Blut-Hirn-Schranke nicht; das Nervengewebe bleibt also ungefärbt. (Im Gegensatz hierzu lassen beim selben Versuch die meisten Kapillarabschnitte der übrigen Organe des Körpers den Farbstoff passieren, so daß diese blau gefärbt werden. Hier bilden die Endothelien die weitgehend durchlässige Blut-Parenchym- Schranke).

Die oben genannte Astroglia ist reich an Cytoplasma und wird als protoplasmatische Astroglia der Faserglia gegenübergestellt. Letztere ist reich an Intermediärfilamenten, die aus dem Gliazell-spezifischen „glial fibrillary acidic protein“ (GFAP) bestehen. Dieses läßt sich – und damit die Faserglia – selektiv immun-histochemisch darstellen. Die Gliafilamente erfüllen die dünnen und oft sehr langen Zellfortsätze. Dieser Gliaform kommt eine spezielle Stützfunktion im Gewebsverband zu. Insgesamt ist die Astroglia stets in der Lage, sich mitotisch zu teilen. Dies ist von Bedeutung bei Verletzungen, die durch proliferierende Astrocyten im Sinne einer Narbenbildung geschlossen werden. Oligodendrogliazellen. Diese Zellen haben einen relativ kleinen Zelleib und nur wenige, nicht allzu lange Ausläufer, die der Myelinisierung der Axone dienen (s. o.; Abb. 2/31). Oligodendrogliazellen können offenbar ihre Fortsätze auch einziehen um als Satellitenzellen die Neuronen bzw. Perikarya zu umgeben. Auch die Oligodendroglia ist mitoseaktiv. Mikroglia. Es handelt sich hierbei um kleine, sehr fortsatzreiche Zellen (Abb. 2/31), die nicht ortsständig, sondern amöboid beweglich und Phagocytose-aktiv sind. Die nach ihrem Entdekker auch HORTEGA 208-Zellen genannten Gliazellen entstammen dem Mesenchym (daher auch die Bezeichnung Mesoglia), also dem Stammgewebe der Binde- und Stützgewebe, und sind wohl eine Form der „freien Bindegewebszellen“. Folgerichtig dienen sie der unspezifischen Abwehr (vgl. S. 296).

Nervengewebe 151

Abb. 2/32: Blut-Hirn-Schranke (links) und Blut-Parenchym-Schranke (rechts). Schema. a – Endothel, b – Basalmembran, c – Gliafüßchen, d – Astrocyt, e – Interzellularraum, f – Neuron, g – Pericyt, h – Parenchymzelle, i – Endothel mit Poren und Fenstern, k – Fibrocyt.

Ependymzellen. Die flüssigkeitserfüllten Hohlräume des ZNS, d. h. die Ventrikel209 des Gehirns und der Zentralkanal des Rückenmarks, sind von epithelartig angeordneten Gliazellen ausgekleidet, die Mikrovilli und Kinocilien tragen. Der Verband des Ependyms ist relativ dicht und kontrolliert offenbar die Zusammensetzung der Ventrikelflüssigkeit, des Liquor cerebrospinalis210. Durch den metachronen Schlag der Kinocilien wird der Liquor gerichtet durch das Hohlraumsystem des Gehirns transportiert. Plexus choroideus-Zellen. Der Liquor wird an bindegewebigen, blutgefäßreichen Faltensystemen produziert, die an bestimmten Stellen in 209 210

211

ventrículus (lat.) – bauchiger Raum; hier: Hirnhöhle. líquor (lat.) – Flüssigkeit; cérebrum (lat.) – Gehirn; spinális (lat.) – zum Dorn, Rückgrat gehörend; aber auch: zur medulla spinalis (lat.) – dem Rückenmark gehörend. (Die Flüssigkeit umspült Gehirn und Rückenmark.) hypophyseos ´ (gr.) – unterer Hirnanhang; hypo´ (gr.) – unter, unterhalb; phyein ´ (gr.) – wachsen.

das Lumen der Ventrikel hineinhängen und Adergeflecht (Plexus choroideus) genannt werden. Diese Faltensysteme werden gegenüber dem Flüssigkeitsraum wiederum durch Gliazellen, den epithelialen Verband der Plexus choroideus-Zellen, begrenzt. Die Zellen sind reich an Mikrovilli und dienen der Liquorsekretion. Pituicyten. Der hintere Abschnitt der Hirnanhangsdrüse (Hypophyse211), die Neurohypophyse, besteht u. a. aus Pituicyten. Diese Gliazellen sind fortsatzreich und bilden zusammen ein dreidimensionales Gerüst, das die übrigen Strukturen dieses Organs abstützt. 2.7.2.2

Glia des peripheren Nervengewebes

Außer in Nerven und Ganglien kommen im PNS Gliazellen auch in Sinnesorganen, speziell an Nervenendkörperchen (vgl. S. 517) vor. Auch diese periphere Glia erfüllt die allgemeinen Aufgaben der Glia, also Ver- und Entsor-

152 Gewebe

gungsfunktionen an Nervenzellen inclusive deren Fortsätzen, Isolation der Neurone durch Myelinisierung, Hilfsfunktion bei der Reizaufnahme und Erregungsleitung sowie allgemeine Stützfunktion im Nervengewebe. Es werden unterschieden: – SCHWANN -Zellen – Mantel-Zellen – Hilfszellen SCHWANN-Zellen. Sie sind die Myelinscheidenbildner des PNS, sie begleiten aber auch alle nicht myelinisierten bzw. marklosen Axone (s. o.). Mantelzellen. Die Perikarya der pseudounipolaren Neuronen der Spinalganglien sowie die multipolaren Neuronen der vegetativen Ganglien sind von einem Mantel kleiner Gliazellen umgeben, die die Ver- und Entsorgung dieser Nervenzellen übernehmen (Abb. 2/24). Sie erinnern in ihrer Tätigkeit an die Astrocyten des ZNS. Sie werden auch Satellitenzellen genannt. Hilfszellen. Solche Gliazellen kommen u.a. bei Druck-wahrnehmenden Nervenendkörperchen vor. Die Hilfszellen erinnern in ihrer Gestalt an Epithelzellen, die aufeinandergeschichtet sind. Bei Druckbelastung werden diese Zellen, ähnlich wie ein Stapel Kissen, ineinandergedrückt, wobei im Zellstapel liegende Nervenendigungen mechanisch gereizt werden (vgl. S. 517).

2.7.3

Regeneration des Nervengewebes

Wie erwähnt, sind im Nervengewebe des Erwachsenen die Neuronen nicht mehr teilungsfähig, im Gegensatz zu den Gliazellen. Abgestorbene Neuronen werden durch Gliazellen ersetzt. Beschädigte Neuronen können verloren gegangene Abschnitte nur z. T. nachbilden: Wird das Perikaryon verletzt, stirbt das Neuron ab; kommt es zur Verletzung oder Abtrennung des Nervenzellfortsatzes, kann dieser regenerieren. 212

213 214 215

de- (lat.) – herab; generáre (lat.) – erzeugen; herstellen; hier: abbauen. proximális (lat.) – rumpfnah. distális (lat.) – abstehend, rumpffern. re- (lat.) – zurück; abermals; hier: Wiederinnervation.

Jedoch gilt auch dies nicht umfassend, denn im Bereich des PNS regenerieren nur die Nerven, die von und zum Rückenmark ziehen (Spinalnerven), nicht jedoch die Gehirnnerven. Nach Durchtrennung einer Nervenfaser (oder eines Nerven) kommt es zunächst zu degenerativen212 Veränderungen. Diese betreffen den proximalen213 Nervenfaserstumpf bis hin zum Perikaryon: durch aufsteigende (retrograde, zentralwärts – d. h. zum Perikaryon gerichtete) Degeneration kommt es zu einer Verlagerung des Zellkerns an den Rand des Perikaryons, das Ergastoplasma geht in seinem Umfang zurück. Die absteigende Degeneration, die den distalen214 Nervenfaserstumpf betrifft, führt zum Absterben des distalen Axonteils samt seiner synaptischen Endformationen. Auch die Markscheiden zerfallen, aber die die SCHWANN-Zellen umgebenden Basalmembranen bleiben erhalten, was von großer Bedeutung für die nach und nach in Gang kommenden Regenerationsvorgänge ist: Im Perikaryon kommt es zu einem Zurückwandern des Kerns in dessen Mitte; die N ISSL-Schollen vermehren sich, und die Proteinsynthese nimmt zu. Der Stumpf des proximalen Axons schwillt zunächst an, verlängert sich dann zunehmend und sucht sich im Kontakt zu den erhaltenen Basalmembranen, die ihm als „Leitschiene“ dienen, den Weg bis hin zu seinem Erfolgsorgan. Dieser Raum-fordernde Prozeß kommt nur dann in Gang, wenn zwischenzeitlich die Reste der SCHWANN-Zellen von Makrophagen abgeräumt wurden. Das Regenerat schiebt sich mit ungefähr 1 mm/Tag in sein Zielgebiet vor; wird es erreicht, werden Synapsen gebildet und das Erfolgsorgan ist reinnerviert215. Die Myelinisierung des zunächst nackten Axons erfolgt nach und nach über proliferierende S CHWANN-Zellen. Eine erfolgreiche Nervenregeneration dauert, in Abhängigkeit von der Länge des distalen Stumpfes, mehrere Monate bis hin zu einem Jahr und länger. Voraussetzung für eine erfolgreiche Nervenfaser- bzw. Nervenregeneration ist es, daß das auswachsende Axon die Basalmembranen des distalen Nervenstumpfes findet. Das Ziel des Neurochirurgen ist es, die bei einer Unfallverletzung durchschnittenen Nervenstümpfe, die sich elastisch bis zu mehrere cm voneinander zurückziehen, durch eine Naht so aneinanderzufügen, daß die Schnittflächen der Nerven möglichst gut aufeinander passen. (Eine jeweilige „proximale zu distale Faserzuordnung“ ist natürlich nicht möglich, aber auch nicht erforderlich). Unterbleibt das Nähen der verletzten Nerven und bleiben damit die Nervenstümpfe voneinander räumlich getrennt, dann finden die Axonsprosse des

Nervengewebe 153 proximalen Nervenstumpfes nicht in das Zielgbiet; sie wachsen gewissermaßen suchend im Kreis und knäueln sich dabei zu einer Nervengeschwulst auf; sie bilden ein Neurom. Neurome sind u. U. sehr schmerzhaft und müssen dann operativ entfernt werden.

2.7.4

Erregung

Bei einem Reiz (elektrisch, chemisch oder thermisch), der die Membran erregbarer Zellen depolarisiert (s. S. 53 und S. 154), d. h. die Spannung zwischen extrazellulärem und intrazellulärem Raum vermindert, wird die Durchlässigkeit des depolarisierten Membranbereichs für Natriumionen vergrößert, so daß Natriumionen in die Zelle bzw. in den Zellausläufer, das Axon, eintreten können. Hierdurch wird die Innenseite der Zellmembran weniger stark negativ. Die Ur-sache für diese Durchlässigkeits- (oder Leitfähig-keits-)-änderung ist die Veränderung der Kon-formation von Membranproteinen (Ionenka-näle). Sie öffnen sich kurzzeitig. Der Vorgang ist auf S. 53 detailliert beschrieben. Der geschlossene, einzelne, aktivierbare Natriumkanal wird durch Depolarisation geöffnet. Der Offenzustand bleibt aber nur den Bruchteil einer ms bestehen, denn der Ionenkanal geht dann in einen geschlossenen, inaktiven Zustand über. Bei starker Depolarisation wird der inaktive Zustand schneller erreicht als bei geringer Depolarisation. Wenn kurz nach einem Depolarisationsimpuls ein zweiter Depolarisationsimpuls durch eine Elektrode appliziert wird, ist der Na+-Kanal noch nicht wieder aktivierbar. Er ist absolut refraktär (s. S. 156). Um ihn wieder aktivierbar zu machen, muß der Zustand seiner Inaktivierung beendet sein. In der Repolarisationsphase wird der geschlossene, aktivierbare Zustand des Natriumkanals wiederhergestellt. Während dieser Zeit kann der Kanal nur durch starke Depolarisationsreize geöffnet werden. Er ist in dieser Phase relativ refraktär. Die Öffnungdauer der Kanäle ist unterschiedlich lang und beträgt im Mittel ca. 0,7 ms. Die Anzahl der Kanäle (Glykoproteine, Molekulargewicht ca. 300 000 Dalton) beträgt bei verschiedenen Zellen zwischen 1 und 50 pro µm2. Natriumkanäle, die in der intakten Zellmembran durch die Membranspannung gesteuert werden, lassen – genauso wie ein einzelner Ionenkanal im patch-clampExperiment – bei fortbestehender Depolarisation nicht dauernd Natriumionen aus dem Extrazellularraum durch die Zellmembran in die intrazelluläre Lösung eintreten. Es kommt, wie beim Einzelkanal beschrieben, zum Versiegen des Natriumeinstroms und zur Inaktivierung. Wenn die Depolarisation gleichzeitig mehrere Kanäle trifft, wird die Summe der Ionenströme groß. Bei Überschreiten eines Schwellenwerts

breitet sich der Depolarisationsprozeß über die ganze Zellwand hinweg aus und stellt die Gundlage für das Aktionspotential dar (s. weiter unten). Abb. 2/34 zeigt, daß bei Depolarisation die Leitfähigkeit der Membran für Kalium erhöht und das Zellinnere weniger stark positiv wird, weil Kaliumionen aus den Zellen hinausströmen. Die hierfür verantwortlichen Kanäle werden nicht sofort wieder inaktiviert, sondern sie öffnen und schließen sich während der Depolarisation immer wieder. Sie bewirken so einen länger dauernden Kaliumausstrom. Die Inaktivierung der Natriumkanäle und vor allem die Summe der Kaliumflüsse vom Zellinneren nach außen bewirken eine Erhöhung des Betrags des Membranpotentials im Sinn einer Verminderung der Depolarisation, dann einer Repolarisation und schließlich eines hyperpolarisierenden Nachpotentials (s. Abb. 2/33). Das hyperpolarisierende Nachpotential liegt näher beim K+-Gleichgewichtspotential, denn die Kaliumkanäle sind noch offen, wenn die Na+-Kanäle noch inaktiv sind oder schon wieder geschlossen wurden. Bei einer Depolarisation öffnen sich auch Calciumkanäle und Calcium strömt in die Zellen. Normalerweise ist das intrazelluläre Ca++ mit 10–7 bis 10–8 mol/l beträchtlich niedriger als das extrazellulär gelegene Calcium (2 mmol/l). Das Calciumgleichgewichtspotential ist deshalb positiver als das Natriumgleichgewichtspotential. Axonmembranen besitzen eine niedrige Leitfähigkeit für Calcium und eine vergleichsweise hohe Natriumleitfähigkeit. An Zellen des Herzmuskels oder des glatten Muskels spielen die Calciumströme jedoch eine bedeutende Rolle, nicht nur wegen ihres unmittelbaren Beitrags zum Membranpotential. Nach Depolarisation und Einstrom von Calcium wird die intrazelluläre Ca++ -Konzentration stark erhöht, was zu einer Änderung ihrer intrazellulären Steuerfunktion führen kann (s. S. 81 und S. 192). Auch für die Öffnung und Schließung der Na+-Kanäle (= Erregbarkeit) von Nervenzellen und deren Axonen haben Calciumionen insofern eine Bedeutung als niedrige extrazelluläre Calciumkonzentration durch Erniedrigung des Schwellenpotentials die Erregbarkeit von Nerven- und Muskelzellen stark steigert. Hohe Ca++-Konzentration im Extrazellularraum senkt die Erregbarkeit. Außerdem werden manche Kaliumkanäle durch die intrazelluläre Calciumkonzentration gesteuert. Im Inneren der Kanalproteine gibt es eine Region, die man als Selektivitätsfilter bezeichnen kann, so daß z. B. Natriumkanäle nur für dieses Ion durchlässig sind. Kanäle für Cl– sind bisher weniger gut untersucht worden als Natriumkanäle, Kaliumkanäle und Calciumkanäle. Die Öffnung von Kanälen wird nicht nur durch Änderungen der Membranspannung bewirkt, sondern kann auch durch Anlagerung von Überträgerstoffen an Rezeptorproteine erfolgen, wenn die Rezeptorproteine als Kanalproteine funktionieren. Wenn z. B. der Überträgerstoff Acetylcholin (s. S. 54) an solche

154

Gewebe

Rezeptoren andockt, und diese Rezeptoren sich an zentralen Synapsen oder motorischen Endplatten (s. S. 188) befinden, steigt die statistische Wahrscheinlichkeit, daß sich ihre Na +-Kanäle öffnen, und es kommt zum Natriumeinstrom, mit den gleichen Folgen wie beim Natriumeinstrom durch spannungsgesteuerte Kanäle. Kommt es zur Anbindung eines spezifischen Überträgerstoffs an einen Rezeptor eines Kanals für Kalium, ist die Folge ein Kaliumausstrom aus der Zelle und damit eine Erhöhung der Membranpolarisation in Richtung auf das K+-Gleichgewichtspotential. Es gibt auch Kanäle, die eine Veränderung des Ionendurchtritts erst dann ermöglichen, wenn sie durch intrazelluläre Botenstoffe aktiviert werden. Das gibt es sowohl bei depolarisierend als auch bei hyperpolarisierend wirkenden Ionentransporten. Das Adrenalin verursacht beispielsweise eine Freisetzung von cyclischem AMP im Zellinneren (s. S. 723), das seinerseits über eine Proteinkinase Calciumkänale phosphoryliert und damit deren Öffnung ermöglicht. Bei den intrazellulär ablaufenden Signalketten, die zwischen die Anbindung des Überträgerstoffs an seinen Membranrezeptor geschaltet sind spielen G-Proteine (s. S. 56 und S. 701) eine wichtige Rolle. Eine Zelle besitzt weniger Rezeptormoleküle als G-Proteinmoleküle, die an der Zellmembraninnenseite liegen. Daher kann ein einzelnes Rezeptormolekül innenhalb der Zeitspanne, in der es einen Liganden gebunden hält, viele G-Proteine aktivieren und bewirken, daß ein schwaches Signal von nur wenigen Transmittermolekülen, die an wenigen Rezeptormolekülen anbinden, eine hohe Zahl aktivierter Cyclasekomplexe erzeugt und so die Konzentration von cAMP in der Zelle anheben. Bei der Proteinkinasereaktion, dem nächsten Schritt der cAMP-Kaskade, wird das Signal dann noch einmal verstärkt und kann es bis zum Schwellenwert für die Auslösung eines Aktionspotentials anheben. Dies kann geschehen, wenn der Rezeptor bzw. das GProtein eine stimulierende Wirkung hat (R s-Rezeptor bzw. Gs-Protein). Über einen hemmenden extrazellulären Überträgerstoff oder ein Hemmhormon kann ein hemmender Rezeptor (Ri) aktiviert werden, der analog über ein GTP-aktiviertes Protein (Gi) die Cyclase hemmt und somit die cAMP-Produktion hindert. Diese Mechanismen erklären, daß es bei manchen Kanälen Abstufungen der Ionenleitfähigkeit gibt. Neuerdings wird auch das NO, welches als Relaxationsfaktor für glatte Muskelzellen wirkt (s. S. 332), als Faktor für synaptische Erregungssteuerung diskutiert. Die NO-Synthase, unter deren Wirkung aus Arginin NO entsteht, kommt vor allem in Kleinhirn-, Striatum-, Hippocampus- und Cortexzellen vor und wird bei hoher Calciumkonzentration aktiviert. NO diffundiert durch Zellmembranen in Nachbarzellen, stimuliert die

216

Gamma-Amino-Butyric Acid (engl.) = Gamma-Amino-Buttersäure.

im Zellplasma enthaltene Guanylatcyclase, die aus GTP das cGMP synthetisiert. Das ist ein Botenstoff für Kationenkanäle. Die chemisch gesteuerten Kanäle werden oft nach dem bei der Steuerung beteiligten Transmitter (s. S. 171ff) genannt (z. B. Acetylcholin-aktivierte oder GABA216aktivierte Kanäle). Die verschiedenen Kanäle liegen unterschiedlich dicht in einzelnen Zellmembranbereichen. An Synapsen, den Überträgerstellen von Erregungen eines Neurons auf das andere, findet man meist chemisch gesteuerte Kanäle. Sie liegen so dicht beieinander, daß ihr Abstand hauptsächlich durch die Größe der kanalbildenden Moleküle limitiert ist, d. h., es liegt Kanal neben Kanal. Axonmembranen besitzen dagegen im allgemeinen spannungsgesteuerte Kanäle. Wegen der vielen tausenden von Kanälen an der Zelloberfläche ist die Durchlässigkeit der Membran für Ionen (Ionenpermeabilität) ein statistisches Phänomen aus der Summe der sich öffnenden und schließenden Kanäle für verschiedene Ionenarten. Rezeptorproteine können auch durch andere Substanzen als Transmitter beeinflußt werden. Man bezeichnet die Stoffe, die in gleicher Richtung wirken wie die spezifischen Transmitter, als Rezeptoragonisten. Nikotin kann z. B. den Natriumkanal von Acetylcholinrezeptoren direkt öffnen, wenn es an den Rezeptor bindet. Es gibt aber auch Acetylcholinrezeptoren, die keine Bindungsstelle für Nikotin haben. Diese können aber ebenfalls durch spezifisch wirkende Agonisten geöffnet werden. Das Gift des Fliegenpilzes Muskarin ist ein solcher Agonist. Es kann an Membranrezeptoren binden, die ihrerseits über eine Kaskade von intrazellulären Reaktionen (Botenstoffe s. S. 701) zuständige Acetylcholinrezeptoren erreicht und die zugehörigen Kanäle öffnen. Das Gift der Tollkirsche (Atropin) blockiert die muskarinischen Rezeptoren, ändert dagegen nichts an den nikotinischen acetylcholinempfindlichen Rezeptoren. Diese sind aber durch das im indianische Pfeilgift Curare enthaltene d-Tubocurarin blockierbar. Die beiden Stoffe wirken als Rezeptorantagonisten an den entsprechenden Acetylcholinrezeptoren.

2.7.5

Lokale Antwort und Aktionspotential

Erfolgt bei einem Reiz die Membrandepolarisation an einer Zelle nicht so schnell, daß die Inaktivierung des Natriumkanalsystems nicht doch noch rascher vonstatten geht und deshalb zusammen mit dem K+-Ausstrom verhindert, daß sich die Depolarisation über die gesamte Zelle ausbreitet, so wird der Vorgang als lokale Antwort bezeichnet (s. Abb. 2/33, linker Teil). Ist aber ein Reiz an einer Zelle (z. B. Nervenzelle bzw. -faser oder Muskelzelle) so stark und schnell, daß das Membranpotential näher an den

Nervengewebe 155 Abb. 2/33: Lokale Antwort und Aktionspotential. Im linken Teil der Abbildung sind drei lokale Antworten einer gereizten Stelle einer Nervenzelle dargestellt, wobei entsprechend der zunehmenden Reizstärke (1, 2, 3) eine zunehmende Depolarisation der Zellmembran auftritt. Im rechten Teil der Abbildung ist ein typisches Aktionspotential aufgezeichnet, bei dem vier Phasen (eine langsam ansteigende Phase, ein Initialsegment, ein Overshoot [positives Membranpotential] und ein Nachpotential) zu erkennen sind. Das Ruhepotential beträgt bei der untersuchten Zelle –70 mV. Da die Potentialänderung durch Erregung (Excitation) einer postsynaptischen Struktur erfolgt, bezeichnet man sie als excitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP). Aktionspotentiale anderer Nervenzellen oder von Muskelzellen dauern länger (bis 10 ms, am Herzmuskel sogar bis 200 ms).

Abb. 2/34: Änderung der Natriumströme und der Kaliumströme während eines Aktionspotentials einer Nervenzelle. Man beachte, daß etwa 1 ms nach Beginn des Natriumeinstroms die Verhältnisse wieder wie ursprünglich sind.

Nullwert heranrückt und ein bestimmtes Schwellenpotential überschritten wird (bei den Nervenzellen ca. –55 mV), kommt es, abweichend von dem bei der lokalen Antwort beschriebenen Vorgang, innerhalb von weniger als 0,1 ms zu einer weiteren, von der Reizstärke unabhängigen Senkung des Membranpotentials. Die Membran wird dadurch so stark permeabel für Natriumionen, daß diese in lawinenartig anwachsender Menge in die Zelle strömen und zwar so lange, bis sich das Membranpotential umkehrt und die Innenseite bis zu 40 mV ge217

overshoot (engl.) – über das Ziel hinausschießen.

genüber dem extrazellulären Raum positiv wird (overshoot217). Aus der Errechnung der Gleichgewichtspotentiale (s. S. 52) geht hervor, daß diese Phase nahe beim Na+-Gleichgewichtspotential liegt. Bei diesem Zustand der Zellmembran wird sie für einen weiteren Na+-Einstrom wieder undurchlässig. Die Na+- Kanäle sind jetzt inaktiv. Der Ablauf des Aktionspotentials breitet sich über die ganze Zellmembran aus (Abb. 2/33). Während für das Ruhepotential das Na+ kaum wesentlich ist, wird es für das Aktionspotential das wichtigste Ion. Abb. 2/34 zeigt die Ionenströme durch eine Zellmembran bei einem Aktionspotential.

156

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Der Vorgang der Wiederherstellung des Ruhepotentials heißt Repolarisation. Sie erfolgt, weil die Öffnung der Na+-Kanäle nur ca. 1 ms dauert und die Zahl der offenen K+-Kanäle etwas längere Zeit über den Ruhewert hinaus ansteigt, deshalb Kaliumionen vermehrt aus der Zelle austreten. Die Repolarisation ist ein im Vergleich zum Ionenpumpeneffekt schneller Ionentransportprozeß, der mit einer Reaktivierung der Na+Kanäle einhergeht. Auch die Ionenpumpen tragen zum Auftrechterhalten des Ruhepotentials bei. Na+ ist nach einem Aktionspotential intrazellulär etwas erhöht und K+ außen an der Zellmembran. Das bewirkt, daß energieverbrauchende Ionenpumpen (s. S. 58) aktiv werden. Deren Pumpgeschwindigkeit wird durch das Enzym ATPase mitbestimmt, das das energiereiche ATP in das energieärmere ADP umwandelt. Es wird im Zellinneren durch das eingeströmte Natrium und an der Zellmembranaußenseite durch Kalium aktiviert. Die anfallende Energie wird dafür verwendet, daß die Pumpenproteine durch wiederholte Konformationsänderungen die Ausgangsbedingungen (Ruhepotential) wieder herstellen. (Details s. S. 50.) Nach Blockierung der Pumpen sind noch einige 1 000 Aktionspotentiale an einer Zelle auslösbar.

Je nach Reizstärke läuft entweder das gesamte Aktionspotential oder kein Aktionspotential ab. Dieses Verhalten wird als die Alles oder NichtsReaktion bei elektrischen Reizen bezeichnet. Das Aktionspotential, das über die Nervenfasern weitergeleitet werden kann, wird auch Nervenimpuls genannt. Vom Beginn der „Zündung“ eines Aktionspotentials bis zum Zeitpunkt, in dem die Repolarisierung, d. h. das Wiedererreichen des Ruhepotentials, zu etwa zwei Dritteln abgeschlossen ist (in Abb. 2/33 etwa zum Zeitpunkt 0,5 ms), ist die Membran absolut refraktär. D. h., sie ist unfähig, einen zweiten Reiz mit einem Aktionspotential zu beantworten. Dies ist durch die Inaktivierung des NatriumSystems erklärbar. Anschließend folgt ein relatives Refraktärstadium, bei dem nur durch sehr starke Reize ein Aktionspotential hervorgerufen werden kann. Die Zahl der Aktionspotentiale, die pro Sekunde in Neuronen ausgesendet werden, ist die Impulsfrequenz. Sie kann 500 Impulse/s betragen. In den meisten Nervenfasern ist die Impulsfolge langsamer und überschreitet selten

218

affére (lat.) – zutragen.

100 Impulse/s, so daß eine beträchtliche funktionelle Reserve vorhanden sein kann. Bei Dauerdepolarisation, z. B bei tonischer Sensorreizung (s. S. 513), ist die Aktionspotentialfrequenz wesentlich durch die Funktion der Kaliumkanäle bedingt. Sie besitzen unterschiedliche Spannungs- und Zeitabhängigkeiten. Bei manchen Zelltypen kommt es auch zu Gruppen von Entladungen (bursts). Tab. 2/2: Gleichgewichtspotentiale und elektrisch wirksame Konzentrationen einiger Ionenarten im Skelettmuskel bei 37 °C.

K+ Na+ H+ Cl– HCO–3

2.7.6

Gleichgewichtspotential –97 mV ca.+70 mV –24 mV –80 mV –27 mV

wirksame Konzentration (mmol/l H2O) intrazellulär extrazellulär 155 4 7 144 10–4 4 . 10–5 (pH = 7,0) (pH = 7,4) 7 114 10 28

Funktionen von Nervenzellen

Die Nervenzellen mit ihren Fortsätzen bilden ein Netz, durch welches Informationen in Form von Aktionspotentialen (s. S. 154) übertragen werden. Aktionspotentiale können an peripheren Enden einer Nervenfaser gebildet und von dort zum Zentralnervensystem weitergeleitet werden. Aktionspotentiale können aber auch am Nervenzellkörper entstehen und von dort durch die Neuriten zu den peripheren Organen gelangen. Die verschiedenen Elemente der Verschaltung der Neuronen miteinander und mit anderen Zielzellen werden in den folgenden Abschnitten abgehandelt. Mechanismen, die bei Erregung eines peripheren Nerven in dessen Neuriten ablaufen, werden zuerst dargestellt, um die Grundlagen zum Verständnis des Gesamtvorgangs zu schaffen. Die reizaufnehmenden Zellen, die in Sinnesorganen Sensoren genannt werden (s. S. 511) und Rezeptoren für die ankommenden Reize besitzen, wandeln den Reiz in eine Erregung um, die afferent 218 zum Rückenmark oder zum Gehirn fließt. Dort setzt die Erregung einen Überträgerstoff (Transmitter) an Synapsen (s. S. 142 und S. 167) des folgenden Neurons frei. An den postsynaptischen Membranen wird entweder

Nervengewebe 157

Abb. 2/35: Zeitverlauf eines Gleichstromstoßes in einer kugelförmigen Zelle und des gleichzeitig gemessenen elektronischen Potentials. Der Spannungsanstieg gehorcht der Funktion y = 1-1/et. Das bedeutet, daß die charakteristische Zeitkonstante τ diejenige Zeit ist, innerhalb deren sich das relative Potential auf 63 % seines Endwertes erhöht hat. Es gilt 0,63 = 1-1/e. Die Änderung ist im rechten Teil der Zeichnung dargestellt. Der linke Teil der Skizze stellt schematisch die Messung der transmembranalen Potentialdifferenz und die Zuführung des Stroms durch eine intrazelluläre positive Elektrode dar. Der Stromfluß durch die Membran ist durch rote Linien angedeutet.

durch die Öffnung von Natriumkanälen eine Depolarisation (Erregung) hervorgerufen oder durch alleinige Öffnung von Kalium- und Chloridkanälen eine Hemmung von Erregung. Bei Summation mehrerer synaptischer depolarisierender Potentiale können an der Zielzelle erneut Aktionspotentiale ausgelöst werden. Wenn der Neurit einer solchen Zielzelle nicht ins Gehirn weiterführt, sondern zu einer Muskelzelle, so kann das Aktionspotential über Zwischenschritte die Myofibrillen zur Kontraktion bringen. 2.7.6.1

Künstliche Reizung von Nerven

Elektrische Veränderungen an Zellmembranen lassen sich durch künstliche Zufuhr von elektrischem Strom auf die Außenseite einer Zellmembran oder in das Innere einer Zelle studieren. Hierzu wird eine sehr fein ausgezogene, elektrolytgefüllte Glaskanüle als Mikroelektrode in eine Zelle eingestochen und mit einer Stromquelle verbunden, deren zweiter Pol extrazellulär

liegt. Mit zwei weiteren Elektroden der gleichen Art kann die transmembranale Spannung gemessen werden, wenn die Elektroden an ein empfindliches Spannungsmeßgerät angeschlossen sind. Das Einschalten eines Stroms ist für die Zelle ein Reiz, wenn dadurch die Ladungsverhältnisse an der Membran verändert werden. Führt der Reiz zu einer Verminderung des Membranpotentials (Depolarisation), so daß ein Schwellenwert überschritten wird – z. B. von –80 auf –40 mV –, so bewirkt er eine Erregung. Bei genügend starker Erregung entsteht ein Aktionspotential. Depolarisation der Membran durch einen Stromstoß, der das Gleichgewicht der Ionenströme stört, zeigt , daß die Zellmembran sich zunächst wie ein Kondensator verhält, denn das Membranpotential ändert sich anfangs nicht linear mit dem Stromfluß, sondern asymptotisch wie bei einer Kondensatoraufladung. Abb. 2/35 zeigt diese Reaktion. Wenn der Membrankondensator aufgeladen ist, führt weitere konstante Stromzufuhr zu einem konstanten

158

Gewebe

Stromfluß (Ausstrom von K+ durch die KaliumKanäle) durch die Membran. Dies zeigt, daß in dieser Phase des Reizes die Membran wie ein elektrischer Widerstand funktioniert. Der durch den Stromfluß ausgelöste Potentialerverlauf wird Elektrotonus genannt. Die Form des Potentialverlaufs wird u. a. durch die Form der Zellen bestimmt. Bei langgestreckten Zellen ist der Potentialverlauf nicht einfach exponentiell. Zwingt man einer Zelle durch Stromzufuhr (Strominjektion) sprunghaft mit Hilfe eines Regelverstärkers ein vorgegebenes, vom Ausgangswert verschiedenes, konstantes Membranpotential auf, dann entspricht der hierfür benötigte Strom spiegelbildlich demjenigen Strom, welcher von der Zellmembran unmittelbar nach dem Spannungssprung erzeugt wird. Weil beim Meßvorgang die Spannung festgehalten (geklemmt) werden muß, nennt man das Meßverfahren Spannungsklemme (voltage clamp, s. S. 53). Der durch die Spannungsklemme hervorgerufene Gesamtionenstrom durch die Membran kann registriert werden. Der Anteil einer einzelnen Ionensorte am transmembranären Ionenstrom läßt sich ermitteln, wenn man den Durchtritt einer Ionenart durch die Membran blokkiert. Wie bereits beschrieben, sind die für die Entstehung von Nervenaktionspotentialen wichtigsten Ionen Natrium- und Kaliumionen. Aus Serien von Depolarisationsschritten (= experimentelle Einstellung verschiedener Membranpotentiale durch voltage clamp) sind die Membranleitfähigkeiten für Natrium- und Kaliumionen gemessen worden, die den Kurvenzügen der Abb. 2/34 zugrunde liegen. Die Reizschwelle zur Erzeugung eines Aktionspotentials ist kein fester Wert. Die Schwelle kann sich verschieben. Langsam ansteigende Depolarisation bewirkt z. B. eine teilweise oder gänzliche Inaktivierung des Na+-Systems, so daß die Schwelle zur Erzeugung der steilen Phase des Aktionspotentials erst bei sehr viel positiverem Potential oder gar nicht erreicht wird. Eine derartige Erhöhung der Reizschwelle heißt Akkommodation, das völlige Ausbleiben der Erregung bei sehr langsamer Depolarisation wird durch Einschleichen des Stromes ermöglicht. Solche Vorgänge treten natürlicherweise in manchen Zellen des Zentralnervensystems bei Summation langsam ansteigender Potentiale an den Übergangsstellen der Erregungen (den Synapsen) auf. Durch langsam ansteigende Hyperpolarisation (s. S. 171 und Abb. 2/36) kann die Erregbarkeitsschwelle von Zellen zu negativeren Membranpotentialen verschoben werden. Aus den genannten Gründen ist verständlich, daß beim Einschalten von Gleichstrom nur die Ein- bzw Ausschaltphase eine Erregung hervorruft und daß sinusförmige Wechselströme unterschiedlicher Frequenz, aber gleicher Stärke nicht die gleichen Wirkungen haben. Wird ein Nerv oder ein Muskel von außen elektrisch gereizt, so wird er beim Einschalten des Stroms an der

Kathode depolarisiert. Hier treten Elektronen aus der Elektrode aus. Das Äußere der betroffenen Nervenfasern wird unter der Kathode negativer und entlädt die Membran (Abb. 2/36 oberer Teil). Bei Überschreiten einer Schwelle kann ein Aktionspotential entstehen (wie in Abb. 2/33). An der Anode tritt eine Hyperpolarisation auf. Die Zellmembran wird dort außen positiver. Man kann die Wirkung des Reizes an einer Elektrode dadurch abschwächen, daß man die Elektrodenfläche im Verhältnis zur Gegenelektrode vergrößert. Bei einer solchen „indifferenten Elektrode“ ist die Stromdichte zu niedrig, um einen Reizerfolg zu erzielen. Für den Reizerfolg ist außer Reizstärke, Stromdichte und Anstiegsteilheit des Stroms die Reizdauer entscheidend. Je stärker der Reiz, umso kürzer kann die Reizdauer sein, um ein Aktionspotential auszulösen. Die Erregbarkeit eines Nerven oder eines Muskels ist charakterisierbar durch: 1. die Stromstärke, die bei sehr langer Reizdauer gerade noch zu einer Reizantwort (z. B. Muskelzuckung) führt. Man nennt sie Rheobasenstromstärke. 2. Durch die Chronaxie, d. h. die Reizzeit (Nutzzeit), die bei doppelter Rheobasenstromstärke benötigt wird, um eine Reizantwort auszulösen (Abb. 2/37). Bei Stromunfällen ist bei gegebener Spannung die Stromstärke umso größer, je geringer der Widerstand ist. Feuchte Haut oder bloße Füße und gut leitender Untergrund (Badezimmer) sind bei Berührung elektrischer Einrichtungen besonders gefährlich. Wechselstromfrequenzen von 50 Hz (Lichtnetz) sind gefährlicher als sehr langsame Frequenzen (Einschleicheffekte) und können schon bei geringen Stromstärken zu tödlichem Herzflimmern führen. Bei Reizung mit außerordentlich hohen Frequenzen eines Wechselstroms (einige hunderttausend Hertz) ist die Nutzzeit des Stromes so klein, daß es nicht mehr zu einer Erregung kommt. Die Wirkung des elektrischen Stroms besteht dann in einer Erwärmung des Gewebes (Diathermie), die in der Medizin als „Kurzwellenbehandlung“ angewandt wird. Bei entsprechender Kleinheit einer Elektrode – und gro-ßer Fläche der zweiten „Gegenelektrode“ – verbrennt ein derartig hochfrequenter Strom das Gewebe unterhalb der kleinen Elektrode und der Chirurg benutzt diese Technik für das „elektrische Messer“. Legt man zwei Elektroden auf die Oberfläche einer Nervenfaser, so ist bei unerregtem Nerv keine Potentialdifferenz zwischen ihnen meßbar. Wenn ein Aktionspotential durch die Nervenfaser geleitet wird, so wird die Oberfläche der gerade erregten Stelle gegen diejenige Stelle negativ, die noch unerregt ist und auf der die andere Elektrode aufliegt. Erreicht das Aktionspotential die Region zwischen den Ableitelektroden, so sind nach Wiederherstellung der Ausgangsbedingungen der vorher erregten Stelle beide Ableitpunkte wieder auf gleichem Potential (Potentialdifferenz ist Null). Wenn die Erregung die zweite Ableitstelle erreicht, so wird dieser Membranteil gegen die vorher

Nervengewebe 159

Abb. 2/36: Reizung eines Nerven mit extrazellulären Elektroden, welche ihm von außen aufgelegt sind. Die Abbildung ist stark schematisiert; der Nerv ist nur durch eine Nervenfaser repräsentiert. Der Strom fließt von der Anode zur Kathode. Ein Teil des Stromes fließt durch den Flüssigkeitsfilm auf der Nervenoberfläche, ein anderer Teil tritt in das Innere der Nervenfaser ein und fließt dem Axoplasma entlang. Es kommt unter der Anode zur Hyperpolarisation (Faseräußeres wird positiver) und unter der Kathode zu einer Depolarisation (Faseräußeres wird negativer) der Nervenfaser. Folglich wird an der Kathode beim Einschalten des Stromflusses nach Überschreiten eines Schwellenpotentials eine Erregung ausgelöst (Kathodenschließungserregung). Unterbrechung des Stromflusses kann an der Anode bei einer plötzlichen Wiederherstellung der Ausgangsbedingungen (relative Depolarisation) ebenfalls eine Erregung auslösen (Anodenöffnungserregung).

Abb. 2/37: Reizzeit-Stromstärken-Kurven. Die Chronaxie ist die Nutzzeit (hier 0,13 ms) eines Reizstromes der doppelten Rheobasenstromstärke (hier 1 mA/cm2).

160

Gewebe

erregte, jetzt wieder unerregte Stelle, negativ. Der Potentialverlauf ist also biphasisch (Abb. 2/38).

2.7.6.2

Erregungsleitung von Aktionspotentialen

Wird ein Aktionspotential nicht künstlich (elektrisch) ausgelöst, sondern vom Nervenzellkörper in den Neuriten geleitet, so wird die vorher erregte Stelle des Neurons wegen der oben beschriebenen Inaktivierung des Na+-Systems refraktär, was zur Folge hat, daß sich die Erregung nur in einer Richtung (von der Nervenzelle weg in den Neuriten) ausbreiten kann. Wenn die Erregung vom Rezeptor herkommt, ist der jeweils unmittelbar peripher vom Aktionspotential gelegene Abschnitt des Neuriten unerregbar und das Aktionspotential kann sich nur zentralwärts (zum Zelleib hin) fortbewegen. Die Vorgänge sind in Abb. 2/39 dargestellt. Der Mechanismus der Erregungsausbreitung im Neuriten läuft folgendermaßen ab: Der beim Aktionspotential fließende Membranstrom, der von außen nach innen fließt, erreicht sein Maximum, wenn am erregten Membranteil eine hohe Na+Leitfähigkeit besteht, und das Aktionspotential einen maximalen positiven Wert hat (bei A in Abb. 2/39). Der Membranstrom ist dann negativ. Dieser Strom fließt in der Faser in weniger stark polarisierte Bezirke ab (Ausgleichsstrom) und setzt dort die Membranspannung herab (= Depolarisation). Die Stromschleifen laufen hier durch die Membran und über den extrazellulären Raum wieder zurück. Der Membranstrom erreicht infolgedessen in der Nachbarschaft der maximal depolarisierten Faserstelle positive Werte. Die bisher unerregte Membran wird dadurch ebenfalls depolarisiert, die Na+-Kanäle werden geöffnet und die Na+Leitfähigkeit nimmt zu. Wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird, kommt es zum lawinenartigen Einstrom von Na+ ins Axon und es bildet sich ein Aktionspotential aus. Die Erregung hat sich durch

diesen Vorgang auf die bisher unerregten Stellen fortgepflanzt, d. h. sie wird weitergeleitet. Abb. 2/40 zeigt diesen Vorgang schematisch. Die Stromschleifen, welche die Membran des bereits vorher erregten Bezirks durchqueren, treffen auf ein inaktiviertes Na +-System mit niedriger Na+-Leitfähigkeit der Membran sowie einer stark erhöhten K+-Leitfähigkeit. Der beim Aktionspotential entstehende Membranstrom an der vorher erregten Stelle erreicht zwar auch hier positive Werte. Er verzögert die Wiederherstellung der Ruhebedingungen (Repolarisation), kann aber wegen der beschriebenen Veränderungen kein Aktionspotential auslösen, denn dieser Teil des Neurons (bzw. einer Zelle) ist durch den beschriebenen Mechanismus refraktär geworden. Bei der vorhergegangenen Depolarisation wurden langsam funktionierende Kaliumkanäle geöffnet. Sie ließen K+ ausströmen, so daß das Innere der Faser wieder negativer werden konnte. Die Membran wurde durch diesen Effekt repolarisiert und das Membranpotential vorübergehend sogar negativer als das Ruhepotential. Diese Vorgänge bewirken, daß die Erregung sich nur nach einer Seite fortpflanzt. Hohes K+ außen und hohes Na+ innen aktivieren die Ionenpumpen, die aktiv so lange Kalium nach innen und Natrium nach außen befördern, bis schließlich die Normalkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle wieder hergestellt sind.

Die Schnelligkeit, mit der die Erregung weiter geleitet wird, ist außer vom Querschnitt der Nervenfasern auch von den Nervenfaserhüllen abhängig. Bei markhaltigen (myelinisierten) Nervenfasern kann die Erregung nur an den R ANVIERschen Schnürringen bzw. Knoten in das Axon eintreten, weil die Markscheide zwischen den Schnürringen (Knoten) als ein relativ starker elektrischer Isolator mit geringer Kapazität wirkt. Die lokalen Ströme, die durch die bei marklosen Fasern beschriebene Potentialänderung an einem RANVIER-Knoten ablaufen, können wegen der isolierenden Markscheide den Innenleiter erst durch die Membran des näch-

Abb. 2/38: Ableitung der Potentiale von einer Nervenfaser (N) mit zwei extrazellulären Elektroden (a und b). Die Erregung (E) läuft von links nach rechts über die Nervenfaser. Am linken Nervenfaserrand sind Reizelektroden (Pfeile mit Stromquelle) eingezeichnet. Die rot schraffierte Fläche E kennzeichnet die Erregungswelle, welche in Pfeilrichtung über den Nerven läuft. Im rechten Teil der Abbildung ist die Spannungsänderung (U), die durch das Registrierinstrument (zwischen a und b) angezeigt wird, als Funktion der Zeit dargestellt und dem gerade ablaufenden Ereignis bei Eintreffen der Erregungswelle im linken Bildteil zugeordnet. Unten: Die senkrecht gestrichelte Linie (R) gibt den Zeitpunkt der Reizung an. Bei Eintreffen des Reizes an Punkt a (t1) tritt eine nach oben gerichtete Spannungsänderung auf (Spannungsdifferenz Punkt a gegen den Punkt b). Ist die Erregungswelle zwischen beiden Elektroden angelangt (t2), so wird die Spannung zwischen a und b gleich Null. Bei Erreichen des Punktes b wird sie nach unten abgelenkt (t3). Beim weiteren Verlauf wird die Spannung wieder Null (t4). Diesen Potentialverlauf nennt man biphasisch.

Nervengewebe 161

162

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Abb. 2/39: Fortleitung eines Aktionspotentials in einer Nervenfaser. a: Stromlinien durch die Zellmembran sowie innerhalb und außerhalb des Axons. b: Der Ionenstrom, welcher durch die Membran fließt (Membranstrom), wird durch die im Bildteil c dargestellten Leitfähigkeitsänderungen (gK+ und gNA+) der Membran für die bei der Bildung des in d dargestellten Aktionspotentials wichtigsten Ionen (Na+ und K +) ermöglicht. Die Fortleitung des Stroms erfolgt hier nur nach links, weil dort die Faser noch unerregt ist. Rechts von der erregten Stelle liegt der vorher erregte Faserteil, der jetzt für die Erregung refraktär geworden ist. Die beiden jetzt verschieden geladenen Anteile der Nervenfaser sind über das Faserinnere (und das Faseräußere) miteinander so verbunden, daß Ausgleichsströme (a1; = Membranströme) fließen. Diese sind in a durch Pfeile an den Stromschleifen angedeutet und in b als Membranstrom dargestellt. – A: Spitze des Aktionspotentials.

Nervengewebe 163 Abb. 2/40: Mechanismen der Fortleitung eines Aktionspotentials in einer marklosen Nervenfaser. Das Aktionspotential läuft von oben nach unten und hat den mittleren Abschnitt des dargestellten Faserstücks eben erreicht. Dort ist durch den Na+-Einstrom die Membran umpolarisiert. Durch Ausgleichsströme schreitet das Aktionspotential nach unten weiter fort. Der obere Nervenfaserteil ist refraktär geworden, so daß sich das Aktionspotential nur nach einer Richtung ausbreiten kann. Pfeile deuten die Ausgleichsströme an. Die refraktäre Zone ist von der Zone, in der die Membran umpolarisiert ist, und derjenigen, welche sich in der Phase der Depolarisation befindet, durch unterschiedliche Farbdichte der Membranaußenseite gekennzeichnet.

Abb. 2/41: Fortleitung eines Aktionspotentials in einer markhaltigen Nervenfaser. Bei der saltatorischen Ausbreitung der Erregung (von oben nach unten) können die am erregten Schnürring entstehenden Ströme wegen der isolierend wirkenden Markscheide erst durch die Membran des nächsten RANVIERschen Schnürrings aus dem Innenleiter (dem Axon) austreten. Erst an diesem Schnürring entsteht durch Repolarisation die neue Erregung. Die elektrischen Nebenschlüsse, welche zu einer Abnahme der Stromamplitude in den internodalenStrecken führen, sind durch die entsprechenden Symbole angedeutet. Die Markscheide kann als eine Serie von parallel geschalteten elektrischen Kapazitäten und Widerständen dargestellt werden.

164 Gewebe

sten RANVIER-Knotens verlassen. Erst an ihm entsteht dann durch Depolarisation die neue Erregung. Durch diesen Mechanismus kommt es zu einer sprungförmigen, „saltatorischen“ Fortleitung der Erregung in markhaltigen Nervenfasern, deren Mechanismus in Abb. 2/41 dargestellt ist. Abb. 2/42 zeigt, daß die beim Erregungsprozeß entscheidend beteiligten Ionenarten die gleichen sind, wie bei der Erregung der Muskelzellen und der Nervenzellen. Wegen der nicht vollständigen Isolatorwirkung der Markscheide tritt beim Weiterspringen der Erregung ein gewisser Verlust der Stromstärke auf und bewirkt, daß keine verlustlose Leitung über beliebige Entfernungen möglich ist. Die Durchmesser von Nervenfasern sind sehr unterschiedlich. Markhaltige Fasern sind zwischen 3 und 20 µm, marklose Fasern meist nur 1 bis 2 µm stark. Die Geschwindigkeit eines Nervenimpulses durch eine Nervenfaser ist vom Durchmesser der Nervenfaser und vom Grad der Isolation durch die SCHWANNschen Hüllzellen (Markscheide) abhängig. Dicke Nervenfasern leiten schneller als dünne. Die Geschwindigkeit der Leitung in den großen, markhaltigen Fasern beträgt bis 120 m/s, die in den dünnsten Fasern zwischen 0,5 und 2 m/s. (Übersicht s. Tab. 2/3.) Die Nervenfasern werden nach ihrer Markscheidendicke und Leitungsgeschwindigkeit in markhaltige A- und B- und marklose C-Fasern gegliedert (s. S. 144). Tab. 2/3: Erregungsleitung in Nervenfasern. Faser- Funktion typ

Aα

β γ δ B C

Faserdurchmesser (µm) 12 – 20

somatomotorisch zur Muskulatur; sensorisch von Muskelspindeln Berührung, Druck 5 – 12 motorisch zu Muskelspindeln 3 – 6 Schmerz, Temperatur 2 – 5 präganglionär sympathisch (s. S. 666) 3 postganglionär sympathisch (s. S. 667) 0,3 – 1,3 Schmerz, Tempe0,4 – 1,2 ratur

Leitungsgeschwindigkeit (m/s) 70 – 120

30

– 70

15

– 30

12

– 30

3 – 15 0,7 – 0,5 –

2,3 2

Abb. 2/42: Verteilung der Kationen Na+, K + und der Anionen in einer Nervenfaser. Das Membranpotential dieser Nervenfaser beträgt –90 mV. Es sind die Diffusions- und Pumpprozesse bei zwei Kationenarten (K+ und Na+) angedeutet. Für das hier dargestellte Ruhemembranpotential ist in erster Linie das Konzentrationsverhältnis [K+ innen] : [K+ außen] maßgebend. Beim Aktionspotential verschiebt sich vor allem das Verhältnis der Natriumionen (innen : außen).

Nervengewebe 165

Erregungsstärke. Wegen der Refraktärzeit nach einem Aktionspotential und der auf S. 156 beschriebenen Alles-oder-Nichts-Regel kann sich im einzelnen Axon die Stärke einer Erregung nur in der Variation der Aktionspotentialfolgefrequenz (Impulsfrequenz), nicht etwa in der unterschiedlichen Höhe der einzelnen Aktionspotentiale äußern. Nerven bestehen aber in der Regel aus Bündeln zahlreicher Axone. Wenn viele Axone eines Nerven gereizt werden, nennt man die zusammengesetzte elektrische Reizantwort ein SummenAktionspotential (SAP). Je nach Anzahl der durch einen Reiz überschwellig erregten Axone eines Nerven kann es zu unterschiedlich starker Ausprägung eines SAP kommen. Das SAP gehorcht also nicht der Alles-oder-Nichts-Regel. Schädigung der Markscheiden in peripheren Nerven oder im Gehirn kann durch Viren (z. B. Multiple Sklerose, Polyneuritis), Toxine (Diphterie, Vergiftung mit Hexachlorophen), genetisch bedingt (Leukodystrophie) oder physikalischmechanisch (Verletzung) zu einer Entmarkung (= Demyelinisierung) führen. Es wird dann die Fortleitung der Aktionspotentiale gestört, was zu einem Funktionsverlust der betroffenen Leitungsbahn führt. Primäre Axondegeneration bei Alkoholabusus oder einigen Stoffwechselerkrankungen (Diabetes mellitus, genetisch bedingten Defekten von Enzymen des Lipidstoffwechsels) oder Vergiftungen (Hg, Adriamycin) führt ebenfalls zu Störungen der Erregungsleitung. Meist tritt dabei auch eine Demyelinisierung auf.

2.7.7

Erregungsübertragung

Die Übertragung der Erregung von einem Neuron auf ein anderes Neuron erfolgt an Synapsen (s. S. 142). Es gibt chemische und elektrische Synapsen. Chemische Synapsen sind Anlagerungen der Endknöpfchen von Neuriten an Dendriten, Perikaryen, somanahe Teile von Axonen oder den Enden von erregenden oder die Erregbarkeit hemmenden Nervenzellen (Abb. 2/43 und 2/44). Die Erregung über Synapsen erfolgt normalerweise nur in einer Richtung, so daß den Synapsen eine Art von Ventilfunktion zukommt. An jeder Nervenzelle sind meist viele (bis zu 10 000) Synapsen verteilt. Die Morphologie ist auf S. 142ff dargestellt. An der Synapse, an der die Erregung einer Nervenendigung auf die nächste Nervenzelle oder das Erfolgsorgan (z. B. den Muskel) übertragen werden soll, wird eine Erregungssubstanz freigesetzt, die als Überträ-

gersubstanz (Neurotransmitter, oft nur Transmitter genannt) dient. Zahlreiche, sehr unterschiedliche Substanzen haben Transmitterfunktion (s. S. 171ff). Eine davon ist Acetylcholin. Man bezeichnet Fasern, deren Übertragungsmechanismus mit der Freisetzung von Acetylcholin zu tun hat, als cholinerge Fasern. Es gibt jedoch auch solche, bei denen eine Mischung von Stoffen, z. B. von Noradrenalin und Adrenalin, als Transmitter wirkt. Diese Fasern werden als adrenerge Fasern bezeichnet. Cholinerge Fasern sind vor allem motorische und in der Regel parasympathische Fasern sowie präganglionäre Fasern des Sympathicus (s. S. 666). Bei den postganglionären Fasern handelt es sich in der Regel um adrenerge Fasern des Sympathicus.

Bei cholinergen und adrenergen Synapsen sind die Erregungsvorgänge gut untersucht worden und werden im folgenden zuerst beschrieben. Im Zentralnervensystem gibt es jedoch noch zahlreiche andere Überträgerstoffe (s. S. 171ff). Transmitter befinden sich in den Synapsen innerhalb von Vesikeln (kleine Bläschen). Die Vesikel binden Synapsin, ein Protein, das die Vesikelmembran stabilisiert und an das Cytoskelett anlagert. Bei Erregung wird der Vesikelinhalt in den Spalt zwischen Axonende und der zu beeinflussenden nachgeschalteten Nervenzelle entleert. Je nach Transmitterart und der Eigenschaft des Rezeptors an der Zielzelle kommt es an der postsynaptischen Membran zur Depolarisation oder zur Hyperpolarisation (Abb. 2/44). Die Ankunft eines Nervenimpulses am terminalen Axonende eröffnet Calciumkanäle, die spannungsgesteuert sind, so daß Calcium in das Ende des Axons einströmen kann. Die Calciumkonzentrationserhöhung ist kurzdauernd, weil das freie Calcium im Synapseninneren wieder unwirksam gemacht und die Calciumkonzentration auf den normalen Wert zurückgeführt wird. Der kurzzeitige Anstieg des freien Calciums führt zur Aktivierung einer Calcium-Calmodulin-abhängigen Proteinkinase. Dieses Enzym phosphoryliert Synapsin, so daß die Vesikelmembran frei wird und mit der präsynaptischen Zellmembran verschmilzt. Es kommt zu einer Exocytose, die Vesikel werden geöffnet, und der Transmitter gelangt in den synaptischen Spalt. Bei diesem Prozeß sind auch G-Proteine beteiligt. Der Vorgang ist in weniger als 100 µs beendet. Der Transmitter gelangt aus dem synaptischen Spalt an die subsynaptische Membran. Dort befindet sich ein Rezeptorprotein, an das sich der Transmitter ankoppelt und die Protein-

166 Gewebe

Abb. 2/43: Nervenzelle mit drei Synapsenarten. Die Synapse ist charakterisiert durch einen Endknopf, in dem synaptische Bläschen die Transmittersubstanz freisetzen, die an die subsynaptische Membran gelangen, dort die Permeabilität für Ionen ändern und dann an der postsynaptischen Membran Strömchen erzeugen. (Nach CASPERS.)

konformation verändert, so daß bei erregend wirksamen Synapsen vermehrt Natriumionen durchtreten können. So werden z. B. bei Austritt des Transmitters Acetylcholin subsynaptische Na+-Kanäle für etwa eine ms geöffnet. Wenn in einem Vesikel etwa 6000 bis 8000 Acetylcholinmoleküle vorhanden sind, können diese ungefähr 2 000 Kanäle in der subsynaptischen Membran öffnen und rund 20 000 Natriumionen durch die Membran eintreten las-

sen. Nach Ende des präsynaptischen Aktionspotentials wird Calcium über Ionenpumpen wieder aus der Präsynapse heraustransportiert. Wenn mehrere Aktionspotentiale einander folgen, steigt Calcium in der Präsynapse längerdauernd (Minuten) an und es kommt damit zu erhöhter Transmitterfreisetzung. Dieser Vorgang wird als Bahnung bezeichnet. An vielen Synapsen gibt es auch in der präsynaptischen Membran Rezeptoren für den Überträgerstoff, sog.

Nervengewebe 167 Autorezeptoren. Je nach Synapsenart kann durch deren Wirkung die Transmitterfreisetzung entweder beendet oder verstärkt werden. Der Calciumeinstrom in die präsynaptische Endigung wird durch Autorezeptoren beeinflußt.

Im Prinzip geschieht die Depolarisation an der postsynaptischen Membran einer chemischen Synapse in der gleichen Weise wie bei den spannungsabhängigen Ionenkanälen beschrieben (s. S. 153). Die Vorgänge an Synapsen sind in Abb. 2/44 schematisch dargestellt. Neben erregenden Synapsen gibt es auch solche, an denen die Transmittersubstanz eine Hyperpolarisation an der postsynaptischen Membran erzeugt. Dadurch entsteht eine Vergrößerung des Membranpotentials, bei der eine erheblich stärkere Depolarisation erforderlich ist, um die Schwelle zur Auslösung eines Aktionspotentials zu erreichen. Diese Synapsen werden hemmende Synapsen genannt. Entscheidend für den Endeffekt – Bahnung oder Hemmung – ist die Art des durch den Transmitter betätigten Kanalproteins. Bei der Hemmung steigt die Leitfähigkeit der postsynaptischen Membran für Kaliumionen und vor allem für Chloridionen an. Kalium tritt dabei vermehrt aus der Zelle aus, d. h., die Spannungsänderung geht in der negativen Richtung, weil die Innenseite der Zellmembran noch negativer wird. Die Erhöhung der Leitfähigkeit der Zellmembran für K+ und Cl– stabilisiert das Ruhemembranpotential und vermindert die depolarisierende Erregbarkeit. Mit Hilfe der NERNST-Gleichung (s. S. 53) läßt sich eine Spannungsänderung bei Ionenverschiebung berechnen. Außer den Na+-abhängigen Aktionspotentialen gibt es an Nervenzellen solche, die vermittels Ca++-Einstrom durch spezielle Calciumkanäle in der postsynaptischen Membran ausgelöst werden. Diese Kanäle befinden sich vorzugsweise an Dendriten und verursachen relativ langdauernde Depolarisationen. Auch dies ist mit Änderungen der K+-Leitfähigkeit der Zellmembran verbunden.

Während acetylcholinaktivierte Kanäle in neuromuskulären oder auch in zentralnervösen Synapsen für ungefähr 1 ms offen bleiben, gibt es im Gehirn auch einige Typen von Synapsen, deren Kanäle weniger als 1 ms, und andere, die hunderte von ms lang geöffnet werden. Die großen Unterschiede der synaptischen Übertragungen zeigen sich auch darin, daß zwischen manchen Neuronen nur eine oder zwei synaptische Verbindungen bestehen, während motorische 219 220

inhibére (lat.) – hemmen excitáre (lat.) – aufmuntern, antreiben

Vorderhornzellen einige tausend synaptische Kontakte haben können. Je nach Überwiegen hemmender (inhibitorischer219) oder bahnender (excitatorischer220) Impulse entsteht an der nachgeschalteten Nervenzellmembran eine Hyper- oder Depolarisation – ein Inhibitorisches Postsynaptisches Potential IPSP oder ein Excitatorisches Postsynaptisches Potential E PSP. Nur die Depolarisation führt bei ausreichender Stärke zu einem Aktionspotential. Erregende Synapsen können direkt am Perikaryon (axosomatische Synapsen), an den Dendriten (axodendritische Synapsen), auch am Neuriten kurz nach seinem Abgang oder am Ende (axoaxonale Synapsen) angreifen (Abb. 2/43). Hemmende Synapsen findet man vor allem am Soma zentraler Wirbeltierneuronen. Zur Erzeugung eines fortgeleiteten Aktionspotentials ist es in der Regel notwendig, daß entweder gleichzeitig mehrere Synapsen lokale Membranveränderungen an einer Nervenzelle bewirken (räumliche Bahnung oder räumliche Summation) oder daß Synapsen in sehr kurzer Zeit nacheinander erregt werden und dadurch genügend Überträgerstoff angehäuft wird um die Zellmembran ausreichend lang und stark genug zu depolarisieren (zeitliche Bahnung). Durch spezifische Enzyme werden nämlich Transmitter sehr rasch verändert und sind daher nur kurze Zeit wirksam. Außerdem muß die Inaktivierung der Kaliumkanäle erfolgt sein. An vielen Synapsen erreichen die einzelnen synaptischen Potentiale noch nicht einmal 1 mV. Um die Schwelle für ein Aktionspotential (–10 bis –50 mV) zu erreichen, ist daher meist eine Bahnung erforderlich. Daß hemmende Synapsen vorzugsweise am Zellsoma angreifen, hat zur Folge, daß ihre Wirkung im Sinne einer Stabilisierung des Ruhepotentials unverhältnismäßig stark ist. Hemmende Synapsen liegen also an „strategisch wichtigen Stellen“ des Neurons. Erreicht aus einer dendritischen Zuleitung zum Nervenzellkörper ein EPSP die Membran des Nervenzellsomas, öffnen sich in dessen Membran kurzdauernd Kaliumkanäle und vermindern für 200 bis 500 ms eine Ausbreitung des depolarisierenden Reizes über die Membran des Nervenzellkörpers. Wenn die Depolarisation so stark ist, daß sie nach Inaktivierung der Kaliumkanäle noch fortbesteht und die Schwelle zur Fortleitung der Erregung in den Neuriten überschreitet, wird die Erregung über den Nervenzellkörper weitergeleitet. Durch die Öffnung der Kaliumkanäle entsteht eine kurzdauernde Latenz bis zum Auftreten der Aktionspotentiale im abführenden Neuriten.

168 Gewebe

Abb. 2/44: Potentialänderungen (Zellinneres gegen Extrazellulärraum) an einer typischen motorischen Nervenzelle des Rückenmarkvorderhorns (Vorderhornzelle, s. S. 592 und S. 637), die hemmende und bahnende Impulse empfängt. Bei Hemmungen durch eine im Rückenmark liegende Hemmzelle (RENSHAW-Zelle) kommt es zu einer links oben gekennzeichneten Potentialänderung von –70 auf –80 mV (Hyperpolarisation). Eine bahnende Synapse (rechts oben) bewirkt eine Veränderung des Ruhepotentials von –70 auf nahezu –60 mV (Depolarisation). Rechts unten ist eine präsynaptische Hemmung dargestellt. Die Afferenzfaser H bildet synaptische Kontakte mit den Endknöpfen der Faser B (Synapsen an Synapsen). Die eingezeichneten Kurven veranschaulichen die postsynaptischen Potentiale, die sich nach einer isolierten (Reiz 1; Reiz 2) und kombinierten Reizung (Reiz 1 + Reiz 2) der Fasern H und B ergeben. Wird die synaptische Fasergruppe (H) allein gereizt, so zeigt das Membranpotential der Ganglienzelle keine meßbare Veränderung. Die Kombination der beiden Reize (Faser H und Faser B) weist darauf hin, daß die Unterdrückung der in B laufenden Erregungen bereits vor der synaptischen Endformation erfolgt. Es liegt also eine präsynaptische Hemmung vor. Nicht eingezeichnet sind die Ableiteelektroden, mit denen die Potentialänderungen gemessen werden. Mit einer feinen, elektrolytgefüllten Glaskapillare, die in die Zelle eingestochen wird, kann über ein geeignetes Meßinstrument die Spannung zwischen Zellinnenraum und Extrazellulärraum registriert werden. Im Extrazellulärraum liegt die zweite Ableiteelektrode. (Nach CASPERS.)

Nervengewebe Außer dem Transmitter können auch andere Stoffe das Rezeptorprotein beeinflussen. So kann z. B. Nikotin an den Acetylcholinrezeptor binden und postsynaptische Potentiale auslösen. Man bezeichnet Fremdstoffe (z. B. Pharmaka), die wie der Transmitter wirken, als Agonisten. Es gibt auch Stoffe, die am Rezeptor binden und durch ihre Bindung verhindern, daß der natürliche Transmitter andocken kann. Solche Stoffe können den Ionenkanal blockieren, z. B. das d-Tubocurarin, das im indianischen Pfeilgift Curare enthalten ist, oder das Schlangengift Bungarotoxin.

Manche postsynaptischen Ionenkanäle werden nicht vom Transmitter selbst, sondern von Botenstoffen geöffnet. Abweichend vom geschilderten Rezeptorprotein, bei dem Acetylcholin nach seiner Bindung den Ionenkanal direkt öffnet, gibt es cholinerge Synapsen, bei denen Acetylcholin durch seine Bindung an den Rezeptor G-Proteine an der intrazelluläre Seite des Rezeptors aktiviert. Über die auf S. 154 geschilderte Signalkette kommt es zu einer Kanalöffnung. Diese Synapsen heißen Synapsen vom muskarinischen Typ, weil das Muskarin (Gift des Fliegenpilzes) agonistisch wirkt. Das Gift der Tollkirsche ( Atropin) blockiert diese Synapsen. Es gibt auch Synapsen, die durch den sekundären Botenstoff cAMP geöffnet werden. Außer an axosomatischen und axodendritischen Synapsen sind Bahnungen und Hemmungen auch an axoaxonischen Synapsen möglich. Eine erregende Synapse, die an einer Nervenendigung liegt, fördert die Ausschüttung von Überträgerstoff aus der Nervenendigung, wenn sie „gleichzeitig“ mit in die Nervenendigung einlaufenden Aktionspotentialen aktiviert wird. Solche heterosynaptische Bahnung kann auch ausgelöst werden, wenn das Nervenende durch Neuromodulatoren gebahnt wurde. Neben der beschriebenen postsynaptischen Hemmung, die über eine Synapse direkt auf die nachgeschaltete Zelle wirkt, kennt man noch das Prinzip der präsynaptischen Hemmung. Dabei sind die hemmenden Synapsen an die erregend wirkenden Nervenenden angeschlossen und vermindern deren Wirkung auf die nachgeschaltete Nervenzelle (Abb. 2/44).

221

222

con (lat.) – zusammen mit; laterális (lat.) – seitlich, auf der gleichen Seite, benachbart. occlúsio (lat.) – Verschluß, das Verschließen.

169

Es wird dann das bahnend wirkende Nervenende durch das ihr anliegende (präsynaptische) hemmende Axonende so stark verändert, daß eine aus der Nervenzelle ankommende Erregung der bahnenden Synapse keinen Transmitter mehr freizusetzen vermag. Die hemmenden Axone schütten GABA aus, welches Chloridkanäle öffnet und dadurch die Depolarisation der nachgeschalteten Nervenendigung vermindert und verkürzt, mit dem Effekt, daß das EPSP verhindert wird. Die Hemmwirkung dauert länger als das EPSP.

Der Verlauf der Nerven und ihrer Verknüpfungen zeigt, daß die synaptischen Kontakte in mannigfaltiger Weise verschaltet sind und daß eine Ganglienzelle im natürlichen Verband in der Regel über Seitenäste (Axonkollateralen221) mit mehreren anderen Nervenzellen verbunden ist. Bei derartigen komplexen Nervennetzen kann die Erregung einer einzelnen Ganglienzelle grundsätzlich auf zahlreiche andere übertragen werden. Man bezeichnet dies als Divergenzschaltung. Ebenso können verschiedene afferente Impulse aus unterschiedlichen Neuronen auf eine Ganglienzelle wirksam werden. Man bezeichnet dies als Konvergenzschaltung. Überlappen sich die Verteilungen von Synapsen aus mehreren vorgeschalteten Neuronen auf Nervenzellen, kann es vorkommen, daß bei einer Reizung eines einzelnen zuführenden Neurons bereits eine große Zahl der angeschlossenen (innervierten) Nervenzellen überschwellig erregt wird. Bei gleichzeitiger überschwelliger Reizung mehrerer sich überlappender, zuführender Neuronen wird die Zahl der nachgeschalteten, überschwellig depolarisierten Nervenzellen nicht viel größer sein als bei überschwelliger Erregung einer einzelnen Nervenfaser. Man bezeichnet diese Art der überschwelligen Erregungsausbreitung als Okklusion 222. Wenn ein depolarisierender Reiz in die Refraktärphase der Zelle fällt, kann er nicht zum Aktionspotential der nachgeschalteten Zelle führen. Auch dies kann als eine Art von Hemmung aufgefaßt werden.

Normalerweise treten in Neuronen Serien von Impulsen und asynchrone Impulsmuster auf, welche die nachgeschalteten Neuronen antreiben oder hemmen. Werden tonisch tätige, hemmende Neuronen ihrerseits gehemmt, so kommt es zur Hemmung einer Hemmung und damit zur Erregung. Solche Disinhibitionen sind im ZNS oft zu finden. Zum Beispiel werden auf diese Weise die hemmend wirkenden PURKINJEZellen des Kleinhirns gehemmt (s. S. 655). Den gegenteiligen Effekt, die Unterdrückung einer

170

Gewebe

tonischen Excitation, nennt man Disfazilitation, die zu einer relativen Hyperpolarisation führt. Auch das kommt im Gehirn häufig vor. Synaptische Übertragungsprozesse werden in vielen Fällen schnell beendet, so daß sie zur neuerlichen Benutzung wieder zur Verfügung stehen. Hierzu stehen mehrere Mechanismen zur Verfügung: 1. Bei der Desensitierung werden die Ionenkanäle durch Konformationsänderung rasch wieder geschlossen (es gibt jedoch auch Synapsen, bei denen die Wiederherstellung des Ausgangszustands mehrere Minuten dauert). 2. Wenn die Transmitter nach Freisetzung aus den präsynaptischen Enden in den subsynaptischen Spalt gelangt sind, treffen sie dort auf Enzyme, die zu ihrem Abbau dienen. Zum Beispiel wird Acetylcholin durch Cholinesterase abgebaut, Catecholamine werden durch Monaminooxydase (MAO) und durch Catechol-O-Methyltransferase (COMT) in biologisch inaktive Metaboliten umgewandelt. 3. Die Transmitter werden wieder in die präsynaptische Endigung aufgenommen. 4. Im Gehirn können auch Gliazellen Transmitter aufnehmen. In diese Mechanismen kann man pharmakologisch eingreifen. Beispiele: Eserin (Physostigmin) hemmt die Acetylcholinesterase und damit den Acetylcholinabbau. Auch E 605 ist ein Esterasehemmer. Die antidepressiv wirkende Substanz Desimipramin hemmt die Wiederaufnahme von Catecholaminen an adrenergen Synapsen.

Bei elektrischen Synapsen liegen die Zellmembranen benachbarter Neuronen nur 2 nm voneinander entfernt. Diese Übergangsstellen von Zelle zu Zelle heißen gap junctions223. Sie dienen dem Stoffaustausch zwischen Zellen und sind bei Embryonen häufig. Beim Erwachsenen findet man sie zwar weniger oft, sie sind aber in zahlreichen erregbaren oder nicht erregbaren Zellverbänden wie dem Herzmuskel, der glatten Muskulatur, Epithel- und Gliazellen bedeutsam. In den gap junctions liegen regelmäßig angeordnete Kanäle denen der benachbarten Zellen genau gegenüber. Durch diese Verbindungen (Connexone) können Moleküle bis zum Molekulargewicht 1 000 Dalton hindurchgelan-

223

gap (engl.) – Spalt, Öffnung; junction (engl.) – Verbindung

gen. Aktionspotentiale und synaptische Potentiale können mit zwar geringerem Wirkungsgrad als bei chemischen Synapsen, aber mit großer Geschwindigkeit hier von einer Zelle auf die nächste übergeleitet werden. Auf diese Weise kann eine größere Zahl von Zellen, die durch gap junctions miteinander verbunden sind, fast synchron erregt werden. Die meisten Connexone sind in beiden Richtungen elektrisch leitend, und eine Erregungsausbreitung kann nach beiden Richtungen erfolgen; andere erlauben die Erregungsausbreitung nur in einer Richtung, sie sind gleichrichtende Synapsen. Die Connexone sind nicht dauernd offen, sondern öffnen und schließen sich spontan. Bei Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration und bei intrazellulärer pH-Erniedrigung schließen sie sich. Im Hirnstamm, vor allem in den Vestibulariskernen und der Olive, wurden elektrische Synapsen gefunden. Wenn die Membranen zweier benachbarter Zellen so eng beieinander liegen, daß die Stromschleifen des elektrischen Felds, die vom Natriumstrom stammen, der in eine der beiden Zellen hineinfließt, nach ihrem Wiederaustritt durch unerregte Membranteile über Membrankontakte in die benachbarte Zelle eintreten, so tritt auch dort eine geringe Depolarisation auf. Diese kann überschwellig werden, wenn gleichzeitig andere EPSP auftreten (bei räumlicher oder zeitlicher Bahnung). Schließlich können Veränderungen der Ionenleitfähigkeit der extrasynaptischen Membran den Membranwiderstand herabsetzen oder erhöhen und damit die Durchlässigkeit für Na+ oder K+ verschieben. Das moduliert die Empfindlichkeit der Membran für Prozesse, die in der Synapse ausgelöst werden. Stoffe, die diese Wirkung entfalten, z. B. Substanz P oder Relea-sing Hormone des Hypothalamus (s. dort), sind Neuromodulatoren. Ihre Wirkung dauert wesentlich länger als diejenige typischer Überträgerstoffe. Die Neuromodulatoren findet man nicht selten in präsynaptischen Nervenenden, die einen ganzen Cocktail von Stoffen enthalten können, der auf nachgeschaltete Zellen wirkt. Außer diesen Erregungsübertragungen kennt man solche, die krankhafterweise von einer Nervenfaser auf die benachbarte Faser ohne zwischengeschaltete Synapse erfolgen. Das wird bei Schädigung der Markscheiden möglich, wenn die Axone so dicht beieinander liegen, daß das Aktionspotential von einem Axon auf das be-

Nervengewebe 171

nachbarte überspringen kann. Derartige Übertragungsstellen heißen Ephapsen. Gliazellen bilden keine Aktionspotentiale, sie haben auch keine Synapsen. Ihre Membranen sind vor allem für K+ durchlässig, so daß bereits geringe Erhöhung des extrazellulären K+ zur Depolarisation der Gliazellen führt. Die Zellausläufer der Gliazellen, die elektrisch miteinander verbunden sind, ermöglichen intrazelluläre Ausgleichströme der in die Zellen eintransportierten Kaliumionen, was zur Verminderung des Kaliums an der depolarisierten Zellregion führt, so daß extrazelluläres K+ nachströmen kann. Die Gliazellen wirken deshalb wie ein Schwamm, der Kalium auffängt. Dieser Effekt trägt dazu bei, das Ionenmilieu um die Nervenzellen konstant zu halten. Auch Überträgerstoffe können von Gliazellen aufgenommen werden. Abweichungen von normalen Konzentrationen der Ionen im extrazellulären Raum von Nervenzellen haben Rückwirkungen auf das Ruhepotential. So bewirkt extrazelluläre K+-Erhöhung Depolarisation der Nervenzellen. Bei derartigen Störungen, die z. B. durch Gliaveränderungen hervorgerufen werden, können epileptische Krampfanfälle ausgelöst werden. Änderungen der extrazellulären Ca++ -Konzentration bewirken Veränderungen der Transmitterausscheidung an den Synapsen. Verminderungen der extrazellulären Calciumaktivität senken an Nerven- und Muskelzellmembranen die Schwelle für das lawinenartige Ansteigen des Natriumeinstroms, d. h., die Erregbarkeit steigt an und es können krampfartige Entladungen von Muskelzellen auftreten. Das entsprechende Krankheitsbild heißt Tetanie. Calciumerhöhung verstärkt die Aktivierbarkeit des Natriumeinstroms in die Zelle, erhöht aber gleichzeitig die Schwelle für eine Depolarisation.

Informationsübertragung durch Neurotransmitter (s. auch S. 55 und 165) Eine Übermittlung von Informationen (Nachrichten) erfolgt im Körper auf mancherlei Weise. Bei den Überträgerketten im Nervensystem spielen an Synapsen und Endformationen Neurotransmitter als Botenstoffe eine wichtige Rolle und bewirken an Zellmembranen eine Änderung der Durchtrittsstellen von Ionen. Botenstoffe anderer Art sind die Hormone. Neurotransmitter und Hormone verbinden sich mit zellulären Rezeptoren und übertragen dadurch Signale von einer auf die andere Zellmembran oder auch in das Zellinnere (s. S. 702). Manche

Botenstoffe, z. B. Prostaglandine oder Histamin, wirken auf die Umgebung ihrer Freisetzungsstelle. Diese Signalübertragung ist eine parakrine Wirkung. In den vorangehenden Abschnitten wurde die Wirkung einiger gut untersuchter Überträgerstoffe an peripheren Synapsen des Zentralnervensystems beschrieben. Die Kenntnis der Stoffe und Mechanismen, die an intracerebralen Synapsen Erregungen übertragen, ist noch lückenhaft. Der gleiche Transmitter muß auch hier nicht an allen Synapsen die gleiche Wirkung haben. Die Eigenschaft der subsynaptischen Membran mit ihren Rezeptoren entscheidet, ob ein Transmitter hemmende oder erregende oder gar keine Wirkung hat. So wirkt z. B. Acetylcholin an den Überträgerstellen von Skelettmuskelfasern erregend, auf Herzmuskelfasern hemmend. In Abb. 2/45 werden die Strukturformeln einer Reihe von Transmittern angegeben. Acetylcholin: wirkt als Signalüberträger – an der neuromuskulären Endplatte (s. S. 188), – an allen präganglionären vegetativen Endigungen (s. S. 670), – allen postganglionären parasympathischen Endigungen (s. S. 670), – einigen postganglionären sympathischen Endigungen (s. S. 670), – vielen Synapsen im Zentralnervensystem. Es gibt verschiedene Rezeptorarten für Acetylcholin. Sie können unterschieden werden, weil sie durch unterschiedliche Stoffe erregt oder blockiert werden können. Eine Rezeptorart ist erregbar durch das Fliegenpilzgift Muskarin und hemmbar durch das Gift der Tollkirsche Atropin. Eine andere ist erregbar durch Nikotin, hemmbar durch quartäre Ammoniumbasen (Ganglienblocker) und hemmbar durch Curare (ein Pfeilgift der Indianer). In den Endformationen von cholinergen Nerven einiger Teile des Rückenmarks, des Gehirns, aber auch in Varikositäten des vegetativen Nervensystems werden die Neuropeptide Encephalin, Substanz P und VIP gefunden. Sie haben entweder eigene Transmitterwirkung oder verstärken die Wirkung des Acetylcholins. In einigen höheren Abschnitten des Zentralnervensystems sind wegen der komplizierten Verschaltung die Analysen der cholinergen Systeme schwierig. Man nimmt an, daß cholinerge Systeme im aufsteigenden reticulären System bei Orientierungs- und Weckreaktionen eine Rolle spielen (s. S. 653), daß es cholinerge Übertragungen im Hypothalamus und im limbischen System gibt und daß in Basalganglien ein Antagonismus zwischen bahnenden cholinergen und hemmenden dopaminergen Bahnsystemen existiert. Die Störung dieses Antagonismus spielt eine Rolle bei der PAR-

172 Gewebe Hydroxylase wandelt Dopamin in L-Noradrenalin um. Daraus kann Adrenalin entstehen, vermittelt durch das Enzym Phenylethanolamin- N-Methyl-Transferase. Nur die linksdrehende Form (L-Noradrenalin) ist biologisch bedeutsam. Wirkungen der Katecholamine werden z. T. bei der Beschreibung des sympathischen und parasympathischen Nervensystems diskutiert (s. S. 666ff). Adrenalin: Vorkommen im Nebennierenmark und in peripheren sympathischen Nerven (s. S. 671). Rezeptoren: α- und β-Rezeptoren (s. S. 673 und S. 723).

Abb. 2/45: Strukturformeln einiger Transmitter.

KINSONschen Erkrankung (s. S. 662). Ein Defizit von cholinergen Mechanismen im Großhirn besteht bei der ALZHEIMERschen Krankheit, einer senilen oder präsenilen Demenz, welche u. a. mit Gedächtnisstörungen und einem Abbau der Persönlichkeit einhergeht. Viele Menschen jenseits des 60. Lebensjahrs sind von mehr oder weniger ausgeprägten Veränderungen dieser Art betroffen.

Biogene Amine Catecholamine (Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin) entstehen aus der Aminosäure L-Phenylalanin (s. S. 61). Durch Wirkung des Enzyms Phenylalaninhydroxylase entsteht L-Tyrosin, welches durch Tyrosinhydroxylase in Dopa umgewandelt wird. Dies ist die Vorstufe von Dopamin, das aus L-Dopa mit Hilfe der Dopa-Decarboxylase entsteht. Das Enzym Dopamin-

Noradrenalin: Vorkommen: postganglionäre sympathische Nervenendigungen (s. S. 672), Synapsen im Hirnstamm (s. S. 621). Rezeptoren: α und β. Adrenerge Rezeptoren haben Untergruppen: α1: postsynaptisch in Gehin, Herz, glatten Muskelzellen (kontrahiert), Vas deferens. α2: prä- und postsynaptisch im Gehirn; in Pankreas, Duodenum, β 1: Herz (wirkt positiv inotrop und chronotrop), mobilisiert Fettdepots, β 2: Gefäße (Erweiterung), Bronchien (Erweiterung). Wenn die Wirkung von Noradrenalin (NA) stärker ist als diejenige von Adrenalin (A) und diese wiederum stärker als diejenige des im Körper nicht vorkommenden Katecholamins Isoproterenol (I), so daß NA > A > I wirkt, so spricht man von einer α-adrenergen Wirkung. Eine β-adrenerge Wirkung ist durch die Reihenfolge I > A > NA charakterisiert. Daneben hat Noradrenalin Verstärkerwirkungen auf zusätzlich erregende Eingangssignale, welche ihrerseits den calciumaktivier-ten hemmenden K+-Kanal blockieren. Hemmwirkungen sollen durch Aktivierung der Na+- und der K+-Pumpen entstehen. Im Gehirn gibt es noradrenerge Systeme, deren verschiedenartige Neuronentypen Einfluß auf psychische Funktionen haben, z. B. Steigerung der Bewußtseinshelligkeit, Furcht, Traumschlaf. Noradrenerge Fasern, die aus dem Nucleus coeruleus kommen, führen in den Neocortex und das limbische System. Noradrenerge Fasern des limbischen Systems sind ihrerseits mit dem Hypothalamus und dem Thalamus verbunden. Ähnlich wie beim Serotonin beschrieben, haben noradrenerge, ins Rückenmark absteigende (efferente) Fasern eine hemmende Wirkung auf Schaltstellen der aufsteigenden (afferenten) Schmerzbahn. Noradrenerge Systeme sollen bei der endogenen Depression – einer psychischen Erkrankung – eine Rolle spielen. Es besteht eine Co-Lokalisation mit den Neuropeptiden Neurotensin Neuropeptid thyrosin (NPY) und Substanz P (P steht für Peptid) in der Medulla oblongata.

Nervengewebe 173 Dopamin: Vorkommen: Synapsen im Zentralnervensystem (s. S. 662 u. S. 694). Rezeptoren: D1 (Retina, Nebenschilddrüse, Gehirn; aktiviert Adenylatcyclase), D 2 (Gehirn; hemmt Adenylatcyclase). Co-Lokalisation mit den Neuropeptiden Cholecystokinin (CCK) und Neurotensin in einigen Kernen des Zentralnervensystems. Dopamin hemmt LHRH-Neuronen und beeinflußt dadurch sowohl die Produktion der Gonadenhormone (s. S. 704) als auch synaptische Übertragungen, welche durch dieses Releasing Hormon moduliert werden. Dopaminerge Neuronen sind an der efferenten Kontrolle von Schmerzafferenzen (s. S. 523) beteiligt. Als dopaminerges System werden intracerebrale, durch Dopamin vermittelte Funktionskreise bezeichnet, welche a) die Substantia nigra mit dem Striatum, b) das ventrale Tegmentum mit dem Striatum, den Corpora amygdaloidea und dem Frontalhirn verbinden c) Hypothalamusanteile mit dem Rückenmark sowie dem Hypophysenhinterlappen. In Ganglien des Sympathicus (s. S. 669) gibt es außer cholinergen auch dopaminerge Synapsen, die nach Dopaminfreisetzung eine langdauernde postsynaptische Verstärkung von Potentialen an cholinergen Synapsen auslösen. Dopamin ohne ACh ändert die Ionenleitfähigkeit an deren subsynaptischer Membran nicht.n Störungen des Dopaminstoffwechsels im Striatum gehen mit Veränderungen im Bewegungsablauf einher (PARKINSONsche Erkrankung, s. S. 662). Im limbischen System gibt es ebenfalls dopaminerge Regionen, deren Störungen mit der Schizophrenie (dem SpaltungsIrresein) in Verbindung gebracht werden. Serotonin (5-Hydroxytryptamin): Vorkommen: Hirnstamm, präfrontale Hirnrinde (s. S. 694). Rezeptoren: 5-HT1 (Gehirn), 5-HT2 (Gehirnrinde; Antagonist: Ketanserin). Weitere Rezeptoren werden z. Z. erforscht. Das Serotonin wird aus der Aminosäure Tryptophan gebildet. Es ist u. a. ein Überträgerstoff im Darmnervensystem. Im Gehirn gibt es ein System von serotoninergen Bahnen. Kerne dieses Systems sind der rostrale und caudale Raphe-Kern. Dies sind Regionen nahe der Mittellinie des Gehirns mit serotoninergen Verbindungen zum Corpus amygdaloideum, zu Hippocampus, Kleinhirn, Thalamus und über den Gyrus cinguli zum Großhirn. Vom caudalen Raphe-Kern gehen Verbindungen in Rückenmark und Kleinhirn. Serotonin spielt bei der Regulierung des Schlaf-Wachrhythmus eine Rolle. In schmerzhemmenden Bahnensystemen ist es neben Noradrenalin und Dopamin als Überträgerstoff beteiligt. Es besteht eine Co-Lokalisation mit den Neuropeptiden Substanz P, Encephalin, Thyreotropin-Re-

leasing-Hormon (TRH) sowie mit CCK im Rückenmark, Encephalin und Vasoactive Intestinal Peptide (VIP) im Gehirn. Ein wesentlicher Anteil der Wirkungen der Monoamine Noradrenalin, Adrenalin, Dopamin und Serotonin wird über intrazelluläre biochemische Membranrezeptor-gekoppelte Prozesse vermittelt (s. S. 700). Histamin ist ein biogenes Amin, aber kein Catecholamin. Vorkommen: Synapsen in Zentralnervensystem, Magenschleimhaut, glatter Muskulatur. Rezeptoren: H1 glatte Muskulatur, Gefäßwände (Durchlässigkeitserhöhung); H2 Herz (Frequenzsteigerung), Magenschleimhaut (Gastrin- u. Säurebildung). Antagonist: Cimetidin. Aminosäuren: Glutaminsäure (Glutamat): Vorkommen: Zentralnervensystem (meist erregend). Rezeptoren: NMDA (Agonist: N-Methly-D-Aspartat), AMPA/Kainat (Agonisten: Amino-Propion-Acid (säure) und Kaininsäure), Metabotroper Rezeptor. Der AMPA/Kainatrezeptor heißt auch A/K- bzw. nonNMDA-Rezeptor. Glutaminsäure, bzw. deren Salz, das Glutamat, kommt in hohen Konzentrationen im Gehirn vor, vor allem in Kernen des limbischen Systems, im Hippocampus, im Neocortex und im Striatum. Ihm wird eine Rolle bei der Informationsverarbeitung und der Steuerung des Kurzzeitgedächtnisses zugeordnet. γ-Aminobuttersäure (GABA): Vorkommen: Rückenmark, Gehirn. Rezeptoren: GABAA (öffnet Cl–-Kanal; Antagonist: das Krampfgift Bicucullin), GABAB (öffnet Cl–-Kanal; Antagonist: das antispastisch wirkende Baclofen). Co-Lokalis ation mit den Peptiden Somatostatin (Thalamus, Gehirnrinde, Hippocampus), Encephalin (Netzhaut, Basalganglien), CCK und NPY (Gehirnrinde). Durch die Bindung an den Cl–-Kanal wird dieser geöffnet. Damit wird die Erregbarkeit der Zelle gehemmt. Man findet solche Rezeptoren z. B. im Kleinhirn, im Großhirn und in Basalganglien. Auch an Hemmechanismen axo-axonaler Verbindungen ist GABA beteiligt. Die häufig vom Arzt verordneten Benzodiazepine (z. B. Valium) verstärken die GABA-Wirkungen an ihrem Rezeptor. Bei der „Veitstanz (Chorea Huntington)“ genannten Erkrankung des Striatums (s. S. 662) werden degenerierte GABAerge Neuronen gefunden. Glycin: Vorkommen: Glycin bewirkt vor allem im Rückenmark und im Hirnstamm postsynaptische Hemmungen. Sie können durch Strychnin blockiert werden. So erklärt sich der Strychninkrampf. Bisher wurden keine verschiedenartigen Rezeptoren gefunden. Co-Lokalisation mit Neurotensin.

174 Gewebe Beendigung der Transmitterwirkung: Wenn Transmitter nach Freisetzung aus den präsynaptischen Enden in den subsynaptischen Spalt gelangt sind, werden sie entweder in das präsynaptische Neuron zurücktransportiert oder sie treffen im subsynaptischen Spalt auf Enzyme, die zu ihrem Abbau dienen. Acetylcholin wird durch Cholinesterase abgebaut, Catecholamine werden durch Monaminooxydase (MAO) und durch Catechol-O-Methyltransferase (COMT) in biologisch inaktive Metaboliten umgewandelt. Durch Wiederaufnahme oder Abbau wird die Transmitterwirkung beendet, so daß neue Aktionspotentiale übertragen werden können. Der Abbau von Transmittern kann medikamentös gehemmt werden, ihre Wirkung wird dadurch verstärkt. Es gibt auch Pharmaka, die Transmitterwirkungen haben (falsche Transmitter). Die Beendigung der Glutamatwirkung erfolgt nicht durch enzymatische Spaltung, sondern nur durch Wiederaufnahme vermittels aktiven Transports aus dem synaptischen Spalt in die präsynaptische Endigung Die Peptide, welche vorwiegend Hormonfunktionen haben oder zusätzliche Neurotransmitterfunktionen sind: Hypothalamische Releasinghormone (s. S. 704), Peptide des Hypothysenhinterlappens (s. S. 708), Hormone des Hypophysenvorderlappens (s. S. 710), Neurolegulatorische Peptide (s. u. a. S. 671), gastrointestinale Peptide (s. S. 426), mit der Schlafsteuerung verbundenes Peptid (s. S. 681), Angiotensin (s. S. 487), Bradykinin (s. S. 412) und einige andere. Zwei Peptide sollen hier näher charakterisiert werden: Encephalin: ist ein Peptid mit 5 Aminosäuren (Pentapeptid). Natürlicherweise kommen 2 Pentapeptide im Gehirn vor. Eines mit der endständigen Aminosäure Leucin (Leu-Encephalin) und das andere mit Methionin (Met-Encephalin). Bei Injektion in die Gehirnventrikel wirken sie schmerzbeseitigend, ähnlich wie Morphium. Die Pentapeptide entstehen wahrscheinlich durch Abbau größerer Moleküle, z. B. des Endorphins (s. S. 523), welches seinerseits ein Teilprodukt des Hypophysenhormons β-Lipotropin ist. Man findet die Pentapeptide z. B. in der Substantia gelatinosa des Rückenmarks, in den Basalganglien und in den inneren Anteilen der Formatio reticularis. Es ist auffällig, daß die Bindungsstellen von Morphium und anderen Opiaten ein nahezu identisches Verteilungsmuster im ZNS haben und daß es Strukturen sind, welche entweder bei der Kontrolle des Schmerzes oder dessen emotioneller Verarbeitung eine Rolle spielen. Substanz P besteht aus 11 Aminosäuren, wirkt in sensiblen Neuronen erregend, z. B. in Spinalganglien, aber auch im limbischen System und im Hypothalamus. Die näher beschriebenen Peptide, aber auch andere neuromodulatorisch wirkende Oligopeptide besitzen eine längere Wirkungsdauer als z. B. Noradrenalin oder Acetylcholin und können biologische Regulationen,

z. B. die Erregbarkeit, längerdauernd modulieren. Sie werden nicht wieder in die präsynaptischen Endigungen aufgenommen, verweilen also länger im synaptischen Spalt und können auch entlang Axonen nach beiden Richtungen transportiert werden, so daß ihre biologischen Wirkungen organüberschreitend sind.

2.7.8

Schaltkreise

Nacheinander angeordnete, durch Synapsen verbundene Neuronen können so geschaltet sein, daß eine Abzweigung aus einem Neuron im Schaltkreis (über Zwischenneuronen) zu der Zelle zurückläuft, von welcher das Neuron vorher selbst aktiviert wurde. Ist diese Rückwirkung eine Hemmung, so heißt sie Rückwärtshemmung. Regeltechnisch bezeichnet man dies als negative Rückkopplung (engl. negative feed back). Sind hemmende Neuronen so verschaltet, daß ihre Kollateralen auf benachbarte Zellen gleicher Funktion einwirken und diese besonders stark hemmen, so nennt man dies laterale Hemmung oder Umfeldhemmung. Ist die in einem Schaltkreis auf die Ursprungszelle wirkende Rückkopplung keine Hemmung, sondern eine Erregung, so spricht man von einer positiven Rückkopplung. Eine Veränderung der Wirksamkeit von synaptischer Übertragung kann durch vorhergehende Aktivierung zu- oder abnehmen (Bahnung oder Depression). Diese synaptische Plastizität kann sich entweder schon während wiederholter Aktivierung (tetanisch) oder anschließend bemerkbar machen (posttetanisch) und sich nur an den aktivierten Synapsen zeigen (synaptische Bahnung bzw. Depression) oder auch an benachbarten Synapsen (heterosynaptische Bahnung bzw. Depression). Bei einer tetanischen Potenzierung kann bei kurz aufeinanderfolgenden Aktionspotentialen in der nachgeschalteten Zelle nach jedem Aktionspotential nicht soviel Calcium die Zelle verlassen, daß die Calciumkonzentration wieder den normalen, niedrigen Wert erreicht. Dieser Typ der synaptischen Plastizität ist durch das jeweilige Restcalcium in der Zelle bedingt. Das EPSP steigt dabei an. Der Calciumüberschuß kann auch zu einer Erhöhung des Ruhecalciums führen und durch eine Aktivierung einer Ca++/Calmodulin-abhängigen Proteinase, die calciumabhängige Mobilisierungsprozesse in der Nervenendigung auslöst, für Minuten oder länger verändern. Es werden

Muskelgewebe 175

dadurch mehr synaptische Vesikel an die präsynaptische Membran transportiert und jedes in der Nervenendigung ankommende Aktionspotential setzt mehr Transmitter frei als vorher. Dies ist eine Ursache der posttetanischen Potenzierung. Eine starke und langdauernde Erhöhung des intrazellulären Calciums kann zusätzlich Enzyme aktivieren, die die Freisetzungswahrscheinlichkeit eines Transmitters langzeitig erhöhen. Dieser Mechanismus ist demnach eine einfache Form von zellulärem Gedächtnis. Er ist bei zahlreichen zentralnervösen Vorgängen beteiligt und wird durch Übung ermöglicht. Wenn nach häufiger Reizung die postsynaptischen Potentiale nicht größer, sondern kleiner werden als vorher, so heißt dies synaptische Depression. Man nimmt an, daß dies eine Art von Ermüdung oder Erschöpfung der synaptischen Übertragung ist. Deren Mechanismen sind im einzelnen nicht bekannt. Auch an den störanfälligen präsynaptischen Verzweigungsstellen von Axonen treten bei hohen Frequenzen von durchlaufenden Aktionspotentialen Blockierungen der Erregungsleitung auf. Bei der Gewöhnung (Habituation) an einen Reiz, bei welchem die Reizantwort nach Reizwiederholung geringer ist, scheint synaptische Depression als ein neuronales Korrelat eine Rolle zu spielen. Eine Langzeitpotenzierung (long term potentiation LTP), also eine Langzeitverstärkung (Stunden, Tage und länger) einer postsynaptischen Reaktion, tritt auf, wenn mehrere afferente Axone, die zu einer Zelle führen, erregt werden. Dabei müssen sowohl die präsynaptischen als auch die postsynaptischen Anteile der Synapsen beteiligt sein und es muß eine Mindestzahl von Synapsen kooperativ tätig sein (HEBB )224. Wenn eine schwache Erregung an einer Synapse erfolgt, an einer zweiten Synapse zur gleichen Zeit eine starke Erregung, so ist die LTP nur an der Synapse mit der starken Erregung

224

HEBB, D., kanadischer Psychologe. Er postulierte 1949: Wenn ein Axon der Zelle A....Zelle B erregt und wiederholt und dauerhaft zur Erzeugung von Aktionspotentialen in Zelle B beiträgt, so resultiert dies in Wachstumsprozessen oder metabolischen Veränderungen in einer oder in beiden Zellen, die bewirken, daß die Effizienz von Zelle A in bezug auf die Erzeugung eines Aktionspotentials in Zelle B größer wird.«

nachweisbar. Eine Hyperpolarisation während der depolarisierenden Reizsalve verhindert die LTP. Eine LTP ist vor allem an glutaminergen Synapsen im Hippocampus nachgewiesen worden. Bei normaler synaptischer Signalübertragung dominieren die non NMDA-Rezeptoren (s. S. 173), weil die Kanäle der NMDA-Rezeptoren durch Magnesium blockiert sind. Die Blockade wird nur dann aufgehoben und damit die NMDA-Kanäle freigegeben, wenn die postsynaptische Zelle gleichzeitig von anderen starken Aktionspotentialen vieler präsynaptischer Neuronen depolarisiert wird. Damit können Natrium- und Calciumionen in die Zelle einströmen. Die Calciumionen sind das Signal für die LTP. Der NMDA-Rezeptor hat die Eigenart, daß er nur dann funktioniert, wenn Glutamat an den Rezeptor bindet und die Membran gleichzeitig depolarisiert wird. Diese Depolarisation kann durch Aktivierung von Nicht- (= non-) NMDA-Rezeptoren auf Grund der Aktionspotentiale zahlreicher präsynaptischer Neuronen erzeugt werden. Die NMDARezeptoren sind vorwiegend auf den Spitzen der Dendritendornen lokalisiert, die spezielle Membraneigenschaften besitzen und z. B. eine weitflächige Diffusion von Calcium in das Zellinnere verhindern und mehrere Botenstoffe an den Dendritendornen freisetzen. Ein Botenstoff diffundiert zurück in die präsynaptischen Neuronen und aktiviert dort wiederum andere Botenstoffe, die eine Steigerung der Transmitterfreisetzung in der präsynaptischen Endigung bewirken und damit die LTP aufrecht erhalten. Der HEBB-Mechanismus (gleichzeitige Aktivierung) und aktivitätsabhängige präsynaptische Verstärkung können als grundlegende Vorgänge beim assoziativen Lernen aufgefaßt werden (s. S. 689).

2.8 Muskelgewebe Das Muskelgewebe ist das Bewegungsgewebe des Körpers und wesentlicher Bestandteil der Muskulatur. Die Fähigkeit der Muskeln, sich zu verkürzen und Arbeit zu leisten, ist bedingt durch das Kontraktionsvermögen ihrer Baueinheiten, den Muskelzellen und Muskelfasern. Diese enthalten „kontraktile“ Fibrillen, die sich unter Energieverbrauch verkürzen; hierbei wird chemische Energie in mechanische Energie umgesetzt. Die Bewegungsenergie wird in jedem Fall auf Skelett-Strukturen übertragen, entweder auf binde- oder stützgewebige Skelettelemente. Nur so resultieren letztlich sinnvolle Bewegungen am Organismus.

176 Gewebe

Bis auf die neuroektodermal angelegten inneren Augenmuskeln (Pupillen- und CiliarkörperMuskeln) und die Myoepithelzellen (s. S. 106) sind alle Formen des Muskelgewebes mesodermalen Ursprungs. Das Muskelgewebe liegt in drei Organisationsformen vor; diese morphologisch und physiologisch unterschiedlichen Gewebe bedingen ganz unterschiedliche Bewegungscharakteristika an den Organen, die sie mit aufbauen, wie beispielsweise das Bewegungsspiel der Finger und der Schlag des Herzens veranschaulichen. Man unterscheidet drei Gruppen von Muskelgeweben (s. Abb. 2/51): – glattes Muskelgewebe, – quergestreiftes Herzmuskelgewebe, – quergestreiftes Skelettmuskelgewebe. Glattes Muskelgewebe bzw. glatte Muskulatur besteht aus spindelförmigen einkernigen Einzelzellen, die keine Querstreifung haben und daher glatt (gleichförmig strukturiert) erscheinen. Glattes Muskelgewebe ist Eingeweide-Muskulatur, bewegt sich langsam und ist unwillkürlich, also vom vegetativen Nervensystem innerviert. Herzmuskelgewebe bzw. Herzmuskulatur kommt nur in der Herzwand vor. Sie besteht aus einkernigen, quergestreiften Einzelzellen, die zu Herzmuskelfasern aneinandergekettet sind. Herzmuskulatur kontrahiert sich rasch und unwillkürlich, sie ist vegetativ innerviert. Skelettmuskelgewebe bzw. Skelettmuskulatur besteht aus sehr großen, vielkernigen Bau-

einheiten, den bis zu 15 cm langen Skelettmuskelfasern. Diese sind quergestreift, willkürlich und folglich vom somatischen Nervensystem innerviert und bilden die Skelettmuskeln.

2.8.1

Glatte Muskulatur

Struktur. Die glatte Muskulatur besteht aus spindelförmigen Zellen, die gewöhnlich zwischen 50 und 200 µm lang sind. Ihr Durchmesser beträgt 2 bis 10 µm (Abb. 2/46 und 2/51a). Längere Muskelzellen (bis 500 µm) kommen nur im schwangeren Uterus vor (s. S. 748), kürzere auch in der Aorta, wo sie sogar mehrstrahlig sein können. Man unterscheidet zwei Typen von glatten Muskeln: 1. single unit-Typ-Muskeln, bei denen die Zellen elektrisch und mechanisch über Nexus oder gap junctions miteinander verbunden sind, so daß größere Zellverbände wie eine Einheit reagieren (z. B. in kleinen Blutgefäßen, im Magen-Darmtrakt und in Urogenitalorganen, s. Abb. 2/51 a). 2. multi-unit-Typ-Muskeln, bei denen nur wenige gap junctions vorkommen, so daß die Zellen häufig nur einzeln wirken (z. B. Luftwege der Lunge, Haut, innere Augenmuskeln, große Blutgefäße). Die Enden der Muskelzellen gehen in feine Sehnen über, die aus kollagenen und elastischen Fasern bestehen. Die Fähigkeit der Muskelzellen zur Kontraktion ist an feinste Fibrillen, die Myofibrillen, gebunden, die ähnlich wie bei der Skelettmuskulatur in Längsrichtung im Zellplasma

Abb. 2/46: Glatte Muskulatur. a)– d) schematisch, e) im elektronenmikroskopischen Bild. a) Zwei der glatten Muskelzellen sind entspannt; eine ist verkürzt dargestellt: die kontrahierte Zelle mit Kern in „Korkenzieherform“. b) Verband von glatten Muskelzellen im Querschnitt, c) Muskelzellverband im Längsschnitt. Zwischen den Muskelzellen jeweils Bindegewebe mit reticulären (dünn) und kollagenen und auch elastischen Fasern (dick). d) Molekularer Bau der glatten Muskelzelle: Die Zelle enthält eine Vielzahl längs und in unterschiedlichem Steigungswinkel diagonal angeordneter Filamenteinheiten, die ihrerseits aus zueinander parallel, aber nicht seriiert angeordneten Actin- und Myosinfilamenten (und Intermediärfilamenten) bestehen (vgl. Bau der quergestreiften Muskulatur Abb. 2/48). Zwischen zwei benachbarten dense bodies als Haftpunkten liegen zwei dünne Actinfilamente parallel zueinander und umgeben ein kürzeres Myosinfilament; bei der Verkürzung dieser Baueinheit („Sarkomer“) „gleiten“ die Filamente gegeneinander (vgl. Abb. 2/48). Dense bodies können auch durch Intermediärfilamente miteinander (nicht kontraktil) verbunden sein. e) Verband glatter Muskelzellen aus der Muskelzellschicht (Tunica media) der Halsschlagader. Die (dunklen) Muskelzellen sind z. T. außerhalb des Zellkerns angeschnitten. Im Cytoplasma sind die dense bodies als dunkle Fleckchen (Pfeile) erkennbar. Sie liegen auch am Plasmalemm (Sarkolemm) und dienen dort als Ansatzpunkte der Filament-Baueinheiten. Zwischen den Muskelzellen liegen elastische Fasern bzw. Lamellen (hellgrau) sowie Kollagenfasern, die die Muskelzellen miteinander verbinden. Der Maßbalken entspricht 10 µm = 4000:1. Aufnahme Frau Dr. KLING, Tübingen.

Muskelgewebe 177

178

Gewebe

liegen. Dies sind dünne Proteinfilamente, deren Durchmesser etwa 7-10 nm betragen. Die parallele Anordnung der Filamente bewirkt, daß der Brechungsindex der einzelnen Fasern in Längsrichtung größer ist als in Querrichtung. Sie erscheinen daher im Polarisationsmikroskop homogen doppelbrechend225. Intrazelluläre kontraktile Proteinfilamente (Actin, Myosin, Tropomyosin und Caldesmon) heften sich, zu Bündeln geordnet, an sogenannte dense bands der Plasmamembran der Muskelzellen an. Mittels intermediärer Filamente verbinden sie sich an „Knotenpunkten“ (dense bodies) im Zellinneren zu einem Netzwerk, das einen geordneten Gleitmechanismus (s. S. 188) zwischen Actin- und Myosinmolekülen ermöglicht (Minisarkomere). Die kontraktilen Strukturen bilden auf diese Weise ein längs-diagonal verlaufendes Netz. Dense bodies und dense bands entsprechen den Z-Scheiben der Myofibrillen in der Skelettmuskelzelle (s. S. 183). Die kontraktilen Proteine sind mittels Cytoskelettproteinen (Vinculin, Talin und α-Aktinin) mit transmembranär verlaufenden Integrinen verbunden. Deren extrazelluläre Domänen (= Bindungsstellen) interagieren mit Proteoglykanen und Laminin, einem nicht-kollagenen Glykoprotein der Basalmembran, und stellen so die Verbindung zu extrazellulären kollagenen und elastischen Fasern dar. Der Zellkern ist oval bis stabförmig und liegt in Längsrichtung inmitten der Zelle. Bei kontrahierten Zellen erscheint der Kern korkenzieherartig gewunden und verkürzt (Abb. 2/46). Glatte Muskelzellen besitzen eine Basalmembran (s. Abb. 2/5, S. 95), die auch kollagene Fasern beinhaltet, vermittels deren sie einen Zellverband bilden. Die Muskelzellen können ihre eigenen extrazellulären Materialien selbst synthetisieren. In zahlreichen glattmuskulären Organen bilden sie außer retikulären und kollagenen Fasern auch elastische Lamellen, die als Ursprungs- und Ansatzpunkte der glatten Muskelzellen dienen, und Glykosaminoglykane. Letztere sind u. a. für die Bindung von Flüssigkeit von Bedeutung. Isolierte glatte Muskelzellen sind in Abb. 2/46 a, ein glattmuskulärer Zellverband ist in Abb. 2/46 b-d dargestellt. Erregung der glatten Muskelzellen. Hinsichtlich der Erregbarkeit können zwei Arten von glatten Muskeln unterschieden werden: 225

s. Anm. 112, S. 114.

1. spontanaktive Muskeln mit myogener Erregung, 2. nicht spontanaktive glatte Muskeln. Single-unit-Typ-Muskeln des Darms, des Ureters, des Magens und des Uterus können sich spontan und langdauernd kontrahieren, wenn an irgendeiner Stelle des Zellverbands eine elektrische Aktivität auftritt, z. B. durch mechanische Dehnung der Muskelzellen. Manche Zellen eines Zellverbands werden durch spontan auftretende Membrandepolarisation zu Schrittmacherzellen des Verbands (s. auch S. 312), so daß eine rhythmische Kontraktion entsteht. In den Schrittmacherzellen kann es zu spontanem oder reizbedingtem Einstrom positiver Ionen – vor allem von Calciumionen – kommen. Das Membranpotential wird dadurch depolarisiert, und es kommt bei Erreichen der Schwelle zur Auslösung eines Aktionspotentials, das für wenige ms die Membran umpolarisiert. Die Erregung breitet sich über die oben genannten Zellkontakte (gap junctions) aus. Die Zellkontakte haben einen besonders niedrigen elektrischen Widerstand. Wenn die Membran der Nachbarzelle durch den ankommenden Strom über eine bestimmte Schwelle depolarisiert wird, erfolgt auch hier ein Aktionspotential, das sich über die gap junctions auf weitere Zellen ausbreitet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt 5 bis 10 cm/s. Der Muskel verhält sich bei einer schrittmachergesteuerten Erregung wie eine funktionelle Einheit. Bei spontan schwankenden (instabilen) Ruhepotentialen von –50 bis –60 mV sind Schrittmacherzellen wenig aktiv. Bei Einwirkungen von erregenden Stoffen, z. B. Acetylcholin, werden Schrittmacherzellen an manchen Muskeln des Darms bis nahe zur Schwelle depolarisiert. Dadurch steigt die Frequenz der Aktionspotentiale. Noradrenalin (NA) dagegen hyperpolarisiert an diesen Zellen die Zellmembran. An glatten Muskeln in anderen Organen, z. B. in Hautgefäßen, führt NA zur Depolarisation und infolgedessen zur Muskelkontraktion. Wegen des trägen Verlaufs der Kontraktion glatter Muskeln verschmelzen die Kontraktionen bei Frequenzen von 1 Hz bereits zu einem Tetanus. Das ist eine Dauerkontraktion (s. auch Abb. 2/59). Die myogenen Kontraktionen verlaufen wegen der sich periodenhaft wiederholenden spontanen Aktivitätsänderungen der Schrittmacherzellen rhythmisch. Sekundenoder minutenlange Depolarisationen lösen Sal-

Muskelgewebe 179

ven von Aktionspotentialen mit entsprechend lang anhaltenden Kontraktionen aus. Es werden Rhythmen von 10 s Dauer, aber auch Minutenrhythmen und Rhythmen mit noch niedrigerer Frequenz gefunden, die von Organ zu Organ verschieden ausgeprägt sein können und die sich überlagern. Nervale Erregung. Multi-unit-Typ-Muskeln von großen Arterien, Samenleitern, Iris- und Ciliarmuskulatur sind nur gering spontanaktiv. Sie werden vorwiegend durch Impulse von Nervenfasern des vegetativen Nervensystems erregt. Die an die glatten Muskelzellen heranführenden Nervenenden haben Verzweigungen mit Auftreibungen, welche Überträgerstoffe enthalten (sog. Varikositäten, s. auch S. 671). Sie reichen nicht an alle glatten Muskelzellen eines Gewebes heran. In Blutgefäßen sind z. B. nur die in der Nähe der Adventitia gelegenen Muskelzellen in engem Kontakt mit den Varikositäten. Die Basallaminae von Muskelzelle und Varikosität verschmelzen am Kontaktort. Die Mehrzahl der glatten Muskelzellen wird indirekt innerviert, d. h., der Überträgerstoff erreicht die Muskelzellen durch Diffusion. Die Dichte der Innervation variiert stark. Die Muskelzellmembranen enthalten Rezeptoren für verschiedenartige Überträgerstoffe. Man kennt Rezeptoren für Acetylcholin, Noradrenalin und Adrenalin (α- und β-Rezeptoren), Histamin, Serotonin, verschiedene Peptide, Prostaglandine u. a. (s. S. 171ff). Der Rezeptorbesatz ist in Muskelzellen der verschiedenen Gewebe des Körpers unterschiedlich, so daß typische Rezeptormuster der glatten Muskulatur resultieren. Manche Zellen der innervierten glatten Muskulatur besitzen niederohmige Kontaktzonen, so daß die nerval bedingten Präpotentiale Aktionspotentiale auslösen können, welche zu fortgeleiteten, tetaniformen Dauerkontraktionen führen. In einigen Organen haben die innervierten glatten Muskelzellen keine gap junctions, so daß die Erregung auf den von Nerven versorgten Muskelzellbereich begrenzt ist. In Abb. 2/47 sind im oberen Abbildungsteil rezeptorver-mittelte Calciumeinströme dargestellt. In zahlreichen glattmuskulären Organen kommen sowohl myogen als auch nerval vermittelte Kontraktionsmechanismen vor. Außer den mit Aktionspotentialen einhergehenden Kontraktionen gibt es Tonuserhöhungen ohne begleitende Änderungen des Membran-

potentials. Diese über Wirkstoffe des Gewebes (z. B. manche Prostaglandine) abstufbar auslösbaren langanhaltenden Kontraktionen sind chemisch kontrollierte, tonische Kontraktionen. Die Agonisten reagieren mit Membranrezeptoren, was zur Öffnung von Calciumkanälen oder zur Bildung des intrazellulären Botenstoffs Inositoltriphopshat (IP3) führt. IP3 entsteht zusammen mit Diacylglycerol (DAG) aus Phospholipiden der Zellmembran. IP3 setzt aus dem endoplasmatischen Reticulum Ca++ frei. Das löst die Kontraktion aus (s. S. 191). DAG aktiviert die Proteinkinase C und löst auch ohne Freisetzung von Ca++ ein langdauernde Kontraktion aus. Man nimmt an, daß dies auf eine Empfindlichkeitserhöhung und verstärkten Reaktionsfähigkeit der kontraktilen Proteine für die Ca++Aktivierung zurückzuführen ist. Kopplung der Kontraktion mit der Erregung. Wenn sich die Calciumkonzentration im Cytoplasma der glatten Muskelzelle deutlich über die Schwellenkonzentration von 10–7 mol/l erhöht, kommt es unter Mitwirkung des Proteins Calmodulin zu einer Übertragung einer Phosphatgruppe von ATP auf das Myosin, wodurch die beim Skelettmuskel genau beschriebene Wechselwirkung zwischen Actin und Myosin und damit der zyklische Ablauf der Kontraktion in Gang gesetzt wird. Abb. 2/47 zeigt diesen Vorgang schematisch. Sie zeigt ebenfalls, daß intrazellulär gebildetes cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) und cyclisches Guanosinmonophosphat (cGMP) Einfluß auf die Myosinleichte-Ketten-Kinase (Myosin-L.C.-Kinase) haben. Sie hemmen die Kontraktion, wobei auch das freie intrazelluläre Calcium wieder in die Calciumspeicher oder aus den Zellen heraus befördert und unter den Wert von 10–7 mol/l gesenkt wird. Die Depolarisation der Zellmembran setzt den Calciumeinstrom entweder über spannungsabhängige Calciumkanäle oder durch Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Reticulum frei (unterhalb Rezeptor B in Abb. 2/47 angedeutet). Am Kontraktionsvorgang des glatten Muskels ist das dünne Filament Caldesmon beteiligt. Durch seine Mitwirkung kann ein glatter Muskel mit sehr geringem Energieaufwand eine Spannung über lange Zeit aufrecht erhalten (Sperrtonus, engl.: latch). Caldesmon bildet wahrscheinlich eine Verbindung zwischen Actin und Myosin aus. Hierdurch wird die Querbrücke verriegelt und eine Bewegung verhindert. Das hat zur

180 Gewebe

Abb. 2/47: Calciumabhängige Regulation der Kontraktion einer glatten Muskelzelle (Gefäßmuskelzelle). ZM = Zellmembran (Plasmalemm). Calcium im Cytoplasma kann durch spannungsgesteuerte Kanäle, durch passiven Einstrom oder durch rezeptorgesteuerte Kanäle erhöht werden. Die Kanäle können durch spezifische Substanzen blockiert werden (Calcium-Eintrittsblocker oder Calcium-Antagonisten). Membrangebundenes Calcium (rechts oben im Bild) kann ebenfalls freigesetzt werden und die Calciumkonzentration steigern. Intrazelluläres Calcium aktiviert eine Kinase an den sog. leichten Ketten des Myosins (Myosin Light Chain Kinase, MLCK) durch Bindung an Calmodulin. Aktivierte MLCK katalysiert die Phosphorylierung des Myosins, hierdurch wird die Interaktion zwischen Actin und Myosin ermöglicht, was zur Kontraktion führt. Eine Dephosphorylierung läßt den Muskel erschlaffen. Cytoplasmatisches Calcium kann durch Zellmembranpumpen vermindert werden, wobei Ca2+-ATPase (links oben) und Na+/Ca2+-Gegentransport (rechts oben) dem Calciumeinstrom entgegen wirken können. Diese Mechanismen sind energie (= ATP)-verbrauchend. Eine Kontraktionsbeeinflussung innerhalb der Zelle kann durch Stoffe bewirkt werden, die Calmodulin antagonisieren. Cyclisches AMP greift in den Mechanismus so ein, daß es eine Phosphorylierung der MLC-Kinase ermöglicht und diese dadurch inaktiviert.

Muskelgewebe 181 Vorraussetzung, daß der Calciumspiegel so niedrig ist, daß zwar das Myosin Calcium bindet, aber nicht so hoch, daß die Myosinphosphorylierung aufrecht erhalten werden kann.

2.8.3

Verhalten der glatten Muskelzellen bei Dehnung. Wenn glatte Muskeln gedehnt werden, so geben sie nach anfänglichem elastischen Spannungsanstieg plastisch nach, d. h., in der Nachdehnungsphase nimmt die Spannung wieder ab. Wegen der plastischen Eigenschaft kann der Muskel sowohl in gedehntem als auch in verkürztem Zustand entspannt sein. Das ist die Ursache dafür, daß Hohlorgane, die von glatter Muskulatur umgeben sind, wie z. B. die Harnblase, bei langsamer Füllung keine wesentliche Drucksteigerung erkennen lassen. Bei rascher, stärkerer Dehnung werden dehnungsaktivierbare, nicht selektive Ionenkanäle aktiviert, die Calcium und Kalium in die Zellen einströmen lassen. Intrazelluläre Calciumerhöhung führt zur Kontraktion. Dies ist für die Widerstandseinstellung von Blutgefäßen (Autoregulation s. S. 330) oder für die selbsttätige Entleerung einer Harnblase nach Ausfall nervöser Steuerungszentren von Bedeutung. Bei pH-Erniedrigung (Azidose), z. B. bei CO2-Anstieg, tritt eine Hyperpolarisation der Zellmembran auf und infolgedessen eine Erschlaffung glatter Muskelzellen. Ursache: Erhöhung der K+-Permeabilität der Zellmembran. Bei Alkalose wird der entgegengesetzte Effekt beobachtet. Glatte Muskeln in Lungengefäßen reagieren nicht in gleicher Weise.

Das Zelläquivalent ist bei der Skelettmuskulatur die quergestreifte Skelettmuskelfaser (Abb. 2/51c und 2/52). Sie ist keine Einzelzelle, sondern ein Syncytium226 (s. S. 30). Aus Urmuskelzellen (Myoblasten) entsteht teils durch Vereinigung, teils durch Längenwachstum und Zellkernteilungen ein fadenförmiges Gebilde mit oft Hunderten von Zellkernen; auf 1 mm Länge einer Skelettmuskelfaser kommen bis zu 40 Zellkerne. Die Fasern haben Längen von weniger als 1 mm bis zu 15 cm und einen Durchmesser von 10 bis maximal 200 µm. Die Faser wird von einem Sarkolemmschlauch umgeben, von dem das Sarkoplasma mit den eingelagerten Myofibrillen227 umschlossen ist. Das Sarkolemm228 wird von der Plasmamembran samt anliegender Basalmembran (s. S. 95) gebildet. Die Zellkerne liegen randständig unter dem Sarkolemm; nur im embryonalen Zustand und bei den Muskelspindeln (s. S. 635) befinden sie sich noch inmitten der Faser. Die Muskelfaser besteht zu 75 % aus Wasser, zu 20 % aus Proteinen und zu 5 % aus Fetten, Glykogen, stickstoffhaltigen Substanzen und Ionen (Kalium, Natrium, Magnesium, Calcium, Chlor). Bei den Proteinen lassen sich Strukturproteine (70 %) und gelöste Proteine (30 %) unterscheiden. Die Strukturproteine enthalten 20 % des sogenannten Stroma und 50 % kontraktile Prote-ine. Das Stroma besteht aus Salzlösungen, unlöslichen Proteinresten und Grundsubstanzen. Kontraktile Proteine bestehen zu ca. 2/3 aus Myosin und 1/3 aus Actin. Die gelösten Prote-ine sind Albumine, Globuline und das rote Myoglobin, das als Sauerstoffspeicher in den Muskelfasern eine bedeutende Rolle für die Gewebsatmung spielt und der Muskulatur ihre Farbe verleiht.

2.8.2

Herzmuskulatur

Die quergestreifte, aus in Längsrichtung miteinander verbundenen Einzelzellen (Abb. 2/51 b) gebildete Herzmuskulatur wird im Kapitel Herz (S. 302) näher beschrieben.

226

227

228

229

größere Plasmagebilde mit einer Vielzahl von Zellkernen. Siehe Fußnoten 89 und 90, S. 30. mys, gen. myós (gr.) – Maus, Muskel; vgl. músculus (lat.) – Mäuschen; Fibrillen sind sehr dünne, lichtmikroskopisch nicht weiter unterteilbare Gebilde. sarx, gen. sarkós (gr.) – Fleisch (vgl. Sarkophag, daraus unser Sarg); lémma (gr.) – Schale, Hülle. Genauer: stärker und schwächer doppelbrechend, s. Anm. 112, S. 114. Die Doppelbrechung ändert sich außerdem bei der Kontraktion.

2.8.3.1

Skelettmuskulatur Bau der Muskelfaser

Myofibrillen. Parallel in der Längsrichtung der Faser verlaufen dicht gepackte Myofibrillen. Jede Fibrille zeigt regelmäßig abwechselnde, einfachund doppelbrechende229 (also hell und dunkel erscheinende) Abschnitte. Dadurch, daß die einfachbrechenden und die doppelbrechenden Abschnitte aller Fibrillen jeweils in gleicher Höhe liegen, erscheint die ganze Muskelfaser quergestreift; dies läßt sich mit dem Mikroskop be-

182

Gewebe Abb. 2/48: Schematische Darstellung des Aufbaus der Skelettmuskulatur und ihrer Funktionsweise. a) Ein Muskel besteht aus einer Vielzahl von b) Muskelfaserbündeln: ein solches umfaßt mehrere c) Muskelfasern. Die Muskelfaser besteht aus Muskelfibrillen (Myofibrillen). d), e) Myofibrillen bestehen aus Myofilamenten, den dünnen Actinfilamenten und den dickeren Myosinfilamenten: In d) ist eine Myofibrille im nicht kontrahierten (gedehnten), in e) im kontrahierten Zustand dargestellt. f) Das Querstreifen-Muster der Myofibrillen ist durch die Anordnung der Myofilamente bedingt: Bereiche, die nur Actinfilamente enthalten, sind isotrop (einfach lichtbrechend) und erscheinen als I-Streifen; die Myosin-haltigen Abschnitte sind doppelt lichtbrechend = anisotrop und erscheinen als A-Streifen. Inmitten der I-Streifen liegen die Z-Streifen. Die mittlere Zone des A-Streifens besteht nur aus Myosin, erscheint heller und wird HStreifen genannt. Aufgrund der medianen Verdickung der Myosinfilamente kommt der MStreifen zustande. Als Verkürzungseinheit der quergestreiften Muskulatur gilt das Sarkomer (S), das von Z- zu Z-Streifen reicht. g) Myosinfilamente bestehen aus vielen Myosinmolekülen, die mit ihren Köpfchen, die leichte Myosinketten enthalten, an die benachbarten Actinfilamente heranreichen. h) vier Phasen des „Kontraktionsgeschehens“ = des Filamentgleitens: oben links erfolgt die Actin-Myosin-Bindung, oben rechts das Abknicken der Myosinköpfchen um 45° = Gleiten, unten links lösen sich die Köpfchen, unten rechts strecken sich die Seitenketten und die Myosinköpfchen werden bis zum rechtwinkligen Abknicken „gespannt“. (Z. T. nach SILBERNAGEL u. D ESPOPOULOS, verändert.)

Muskelgewebe 183 Abb. 2/49: Schematische Darstellung von vier Muskelfibrillen (in kontrahiertem Zustand) samt Beziehungen zum tubulären System. a – Fibrille mit Filamenten, b – Mitochondrium, c – longitudinales System = glattes endoplasmatisches Reticulum, d – transversales System, e – Terminalcisterne, f – Sarkolemm, g – Basalmembran, h – Bindegewebsfasern. Im Zentrum des Bildes sind die Actin- und Myosinfilamente längs angeschnitten (s. Abb. 2/50). i – Z-Streifen, k – M-Streifen. (Nach KRSTIC´, verändert.)

reits am ungefärbten Präparat erkennen. Man bezeichnet die im gewöhnlichen Licht dunklen, im polarisierten Licht doppelbrechenden Abschnitte als Querstreifen, Q- oder A-Streifen (anisotrop), auch A-Bande, die einfachbrechenden Streifen als I-Streifen oder I-Bande (isotrop). Im Mittelbereich eines A-Streifens befindet sich eine hellere Zone (Abb. 2/48). Genau zwischen A-Streifen ist im Lichtmikroskop ein durch die I-Streifen durchgehender Strich zu sehen, der bis zu seiner elektronenmikroskopischen Aufklärung als Membran oder Siebplatte gedeutet und als Z-Streifen oder Z-Scheibe bezeichnet wurde. Der Abschnitt zwischen zwei Z-Streifen wird Sarkomer genannt, er besteht aus 1/2 I + A + 1/2 I.

Die Analyse der Myofibrillen läßt erkennen, daß in ihnen Proteinketten zu dünnen Längsbündeln zusammengefaßt sind (Mizellen) und daß die Moleküle in den Mizellen ebenfalls längs der Faser orientiert sind (Peptidketten). In der Mitte jedes Sarkomers liegen ca. 1 000 „dicke“ Filamente, die aus Myosin bestehen (Durchmesser ca. 10 nm) und die die starke Doppelbrechung bedingen (A-Bande). An beiden Seiten des Sarkomers sind je etwa 2 000 „dünne“ Actinfilamente an den Z-Scheiben befestigt. Sie ziehen von der Z-Zone an, beiderseits durch die halbe I-Bande, bis in die Zwischenräume der Myosinfilamente hinein (Abb. 2/48). In den Z-Abschnitten sind die Enden von Actinfilamenten durch zugfeste Filamente kreuzweise verbunden (Abb. 2/55), wobei jedes Actin-

184

Gewebe

Abb. 2/50: Übergangsbereich zwischen einer Skelettmuskelfaser (links) und einem Sehnenfaserbündel (rechts); halbschematisch. Die Sehnenfasern (parallel orientierte Kollagenfasern) sind in tiefen Einbuchtungen des Muskelfaserendes verankert. Die Muskelfaser-Oberfläche wird von einer Basalmembran, retikulären Bindegewerbsfasern (schwarz) und Kollagenfasern gebildet, die ebenfalls in das Sehnenfaserbündel übergehen.

filament Verbindungen mit vier Actinfilamenten des nächsten Sarkomers aufnimmt. Abb. 2/ 48 zeigt die Organisation der Strukturen in einer Übersicht. Im ruhenden Muskel überlappen sich die Enden der dicken und dünnen Filamente an der Grenze zwischen A- und I- Bande nur wenig; bei Kontraktion schieben sich die Actinfilamente zwischen die Myosinfilamente, ohne daß sich die Eigenlänge der Filamente ändert (Abb. 2/48e). Die I-Bande wird dann schmäler. Der molekulare Mechanismus ist auf S. 188 beschrieben. Zwischen den Myofibrillen liegen im Sarkoplasma zahlreiche Mitochondrien und zweierlei tubuläre Elemente (Abb. 2/49). In Höhe der ZAbschnitte liegen rings um jede Myofibrille je nach Faserart ein oder zwei Tubuli, die sowohl mit denen der Nachbarmyofibrillen als auch vor allem mit der Muskelfaseroberfläche durch die Plasmamembran in offener Verbindung stehen. Sie sind Einstülpungen der Plasmamembran,

durchbrechen aber nicht auch die Basalmembran des Sarkolemms. Man bezeichnet dieses tubuläre System als T-System (transversal). Es ermöglicht die rasche Ausbreitung des Aktionspotentials von der äußeren Zellmembran ins Faserinnere. In derselben Gegend der Z-Abschnitte bildet das endoplasmatische Reticulum (s. S. 11), in der Muskelfaser als sarkoplasmatisches Reticulum bezeichnet, Schläuche, die in Längsrichtung der Fasern angeordnet sind und deshalb longitudinales Tubulussystem heißen. Die Schläuche (Tubuli) sind untereinander verbunden. An den Berührungsstellen mit dem transversalen Tubulussystem sind die Longitudinaltubuli bläschenförmig zu Terminalzisternen erweitert. Im Bereich der H-Zone bilden sie nochmals ein zirkuläres Netz oder ein durchbrochenes Band (Abb. 2/49, k). Das sarkoplasmatische Reticulum ist an Ausschüttung und Rücktransport von Calciumionen bei der Kontraktion beteiligt und ist

Abb. 2/51: Formen des Muskelgewebes. a) Glatte Muskelzellen in Bindegewebe eingelagert. Harnleiter. 480:1. b) Herzmuskelzellen, die über Glanzstreifen zu Herzmuskelfasern miteinander verbunden sind. Man beachte die Querstreifung und die Lage der Zellkerne. 650:1. c) Skelettmuskelfasern im Längsschnitt. Man beachte den parallelen Verlauf der Fasern und die Regelmäßigkeit der Querstreifung. 480:1. d) Skelettmuskelfasern quer geschnitten. Die Zellkerne der Fasern liegen direkt unter dem Sarkolemm. Zwischen den Fasern befinden sich auch Blutkapillaren. 320:1.

Muskelgewebe 185

186

Gewebe

Abb. 2/52: Skelettmuskulatur im Längsschnitt. a) im Licht-, b) im Elektronenmikroskop. Zwischen den bei a) und b) eingetragenen Punkten liegt jeweils die Verkürzungseinheit der quergestreiften Muskulatur, das Sarkomer. Die Zellorganellen lassen sich nach Abb. 2/49 bestimmen. a) 1 100:1; b) 34 000:1. EM-Aufnahme Prof. W. DAUBER, Tübingen.

ein in die Zelle hineinverlaufender Calciumspeicher. Fasertypen. Die feingewebliche Struktur der Skelettmuskelfasern im menschlichen Körper ist nicht einheitlich. Nach Struktur und Funktion unterscheidet man Fasern mit schnellen Kontraktions- und Erschlaffungseigenschaften (schnelle Fasern in Bewegungsmuskeln) von Fasern, die sich langsamer kontrahieren und langsamer erschlaffen (langsame Fasern in Bewegungs- und Haltemuskeln). Langsame Fasern, deren Spannungsentwicklung deutlich kleiner ist als die der schnellen Fasern, sind rotbraun gefärbt und finden sich z. B. im Zwerchfell, in den Muskelspindeln (s. S. 635) und in den Augenmuskeln.

Die Einteilung in schnelle und langsame Fasern deckt sich, jedoch nicht ohne Ausnahme, mit der Klassifizierung nach ihrer Färbung. Die schnellen – schwach rosa gefärbten – Fasern enthalten wenig, die langsamen – dunkelrot gefärbten – viel Myoglobin. Schnelle Muskelfasern haben ein stärker ausgeprägtes sarkoplasmatisches Reticulum, das sehr schnelle Freisetzung und Wiederaufnahme von Calciumionen ermöglicht. Beim Menschen bestehen die meisten Muskelindividuen in unterschiedlichem Verhältnis gemischt aus schnellen und langsamen Fasern. Bei verschiedenen Tieren aber bestehen manche Muskeln vorwiegend aus dem einen oder anderen Typ, weshalb man dort helles (weißes) und dunkles (rotes) Fleisch unterscheiden kann.

Muskelgewebe 187

Abb. 2/53: Quer- und Längsschnitt durch eine motorische Endplatte (Schema). Der Querschnitt (oben) liegt an der im Längsschnitt durch einen Pfeil bezeichneten Stelle. Die Nervenfaser (a) hat vor der Endplatte eine, im Bereich der Endplatte (b) keine Markscheide. Die Endverzweigung des Axons (c) liegt in einer Rille der Muskelfaser (s. Querschnitt), deren Sarkolemm durch Faltung stark vergrößert ist (synaptische Falten = d). Im Sarkoplasma (e) liegen Kerne (f) und Mitochondrien (g), im Axoplasma (c) Mitochondrien und Vesikel (h), die den Überträgerstoff enthalten. Außerdem sind die marklosen Endverzweigungen von SCHWAN Nschen Zellen (i) bedeckt. k = Myofilamente. l = Basalmembran.

Sehnenübergang. An den abgeschrägten Enden der Muskelfasern setzen die Sehnen an, mit denen der Muskel an dem zu bewegenden Skelett-Teil befestigt ist. Der Übergang auf die Sehne stellt sich elektronenoptisch so dar, daß die Muskelfasermembran tiefe Einsenkungen hat, in die jeweils mehrere Kollagenfibrillen eingelassen sind (Abb. 2/50). Sie gehen in den Einstülpungen in Retikulinfasern über, die dann an der Muskelfasermembran dort ansetzen, wo auch innen die Myofibrillen enden. Bündelung. Jede Muskelfaser wird von sich kreuzenden, spiralig verlaufenden Bindegewebsfa230

Das Primärbündel wird als Einheit des Muskelgewebes auch „Myon“ genannt.

sern umhüllt. Das Sarkolemm benachbarter Muskelfasern ist durch diese Bindegewebsfasern verbunden. Die Fasern ordnen sich bei Dehnung des Muskels parallel und erhöhen dabei den Dehnungswiderstand und die Reißfestigkeit. Im Muskel liegt immer eine größere Anzahl Muskelfasern zu einem Primärbündel230 zusammengepackt. Die Einzelquerschnitte sind dann nicht rund, sondern haben sich aneinandergelegt und sind polygonal (Abb. 2/48b). Jedes Primärbündel wird von einer Nervenfaser versorgt. Die Primärbündel sind ebenfalls von Bindegewebshüllen umschlossen, deren Fasern sich wie bei den Einzelfasern überkreuzen. Zahlreiche Primärbündel sind wiederum zu größeren Einheiten zusammengefaßt (Sekundärbündel) und diese bei den großen Muskeln zu noch größeren. So besteht ein Muskel aus zahlreichen ineinander geschach-

188 Gewebe

telten Einheiten. Durch seine äußerste Bindegewebshülle (Faszie231) ist der Muskel verschiebbar in seine Umgebung eingebaut. Zwischen den Bündeln wie auch den Fasern liegen die Blutgefäße, die die Muskeln versorgen. Mit den Gefäßen verlaufen die motorischen und sensorischen Nerven. 2.8.3.2

Neuromuskuläre Erregungsübertragung

Die Übertragung einer Nervenerregung auf den Muskel erfolgt durch die motorische Endplatte, eine spezifische nervöse Struktur an der Skelettmuskulatur. Abb. 2/53 zeigt eine schematische Darstellung der Muskelendplatte. Die Vorgänge der Erregungsübertragung sind im Prinzip ähnlich wie bei den Synapsen, bei denen Acetylcholin als Überträgersubstanz beschrieben wurde (s. S. 171). Die synaptische Membran der Schaltstelle in der Skelettmuskelfaser ist allerdings stark aufgefaltet, so daß eine Riesenkontaktstelle zur Muskelzelle auftritt. An der synaptischen Membran werden bei Erregung Acetylcholin-gefüllte Vesikel (Quanten des Überträgerstoffs) freigesetzt, wobei während der Depolarisation Calciumionen an der Freisetzung des Acetylcholins beteiligt sind. Bei der Erregung erfolgt unterhalb der Endplatte eine Depolarisation, denn eine Bindung des Acetylcholins an Rezeptoren der subsynaptischen Muskelzellmembran verursacht eine Erhöhung ihrer Permeabilität für Na+, welches schnell durch die Membran tritt. Das entstehende Aktionspotential breitet sich elektrotonisch in der Muskelfaser aus (s. auch S. 155). Bei Überschreiten einer Schwelle, die in vielen Muskelfasern bei ca. –50 mV liegt, entsteht ein fortgeleitetes Aktionspotential, das durch die bei Nervensynapsen beschriebenen Permeabilitätsänderungen für kleine Ionen gekennzeichnet ist. Wenn vermittels einiger Kunstgriffe verhindert wird, daß das Schwellenpotential erreicht wird, so bildet sich das subsynaptische Endplattenpotential innerhalb von 1 bis 2 ms wieder zurück. Diese Zeit ist erforderlich, um das Acetylcholin abzubauen (durch Cholinesterase) und sein Abbauprodukt Cholin wieder in die Nervenendigung aufzunehmen. Normalerweise führt jedes präsynaptische Aktionspotential zu einem postsynaptischen Aktionspotential der Endplatte. 231

fáscia (lat.) – Binde.

Bei künstlicher Reizung der präsynaptischen Nervenfasern mit mehr als 100 Reizen/s kommt es nach einigen Minuten Reizdauer zur Ermüdung der neuromuskulären Erregungsübertragung (s. S. 451), und nicht jeder Reizimpuls wird in ein Aktionspotential umgewandelt. Es gibt Stoffe, die das Acetylcholin von seinem Wirkungsort verdrängen und damit eine Muskelkontraktion unmöglich machen. Das Pfeilgift der Indianer (Curare) gehört hierzu. Es haftet stärker als Acetylcholin an den Rezeptoren, verdrängt es dadurch „kompetitiv“, und wirkt so als Antagonist. Das Schlangengift Bungarotoxin bindet irreversibel an den Acetylcholinrezeptor. Es gibt auch Stoffe, die die Acetylcholinesterase blockieren, indem sie fest daran gebunden werden, sie unwirksam machen und so eine verstärkte Wirkung von Acetylcholin hervorrufen können (z. B. das Insektizid E 605). Gegen die eigenen Acetylcholinrezeptoren können Antikörper gebildet werden (Autoimmunerkrankung). Bei einer bestimmten Muskelerkrankung, der Myasthenia gravis, findet man im Blut zirkulierende Antikörper gegen die eigenen Endplattenrezeptoren.

2.8.3.3

Muskelkontraktion

Die Verkürzung der Muskelfaser beruht auf einem teleskopartigen Ineinandergleiten von Myosin- und Actinfilamenten (Abb. 2/48). Dabei nähern sich die Z-Linien einander und die Actin- und Myosinfilamente überlappen sich stärker. Die Filamentlängen bleiben dabei gleich. Da in einer Muskelfaser viele Sarkomere hintereinander geschaltet sind, resultiert die Verkürzung der Gesamtfaser aus der Summe der kleinen Verschiebungen in den einzelnen Sarkomeren. Die Filamentlängen im einzelnen Sarkomer ändern sich auch bei Dehnung nicht, vielmehr werden nur die Actinfilamente aus den Myosinfilamenten mehr oder weniger stark herausgezogen, wodurch die Überlappung der Filamentarten abnimmt (Abb. 2/48d ). Der Gleitmechanismus der Filamente wird durch Kräfte hervorgerufen, die zwischen Actin- und Myosinketten wirksam werden. Unter Ruhebedingungen wirken Hemm-Mechanismen, welche verhindern, daß Actin und Myosin miteinander in direkten Kontakt treten können. Molekulare Strukturen und Mechanismen bei der Kontraktion Dicke Filamente (Abb. 2/48 und 2/55). Sie bestehen aus ca. 200 Myosinmolekülen (Molekulargewicht 490 000). Ein Molekül ist aus sechs Teilen, zwei schwe-

Muskelgewebe 189

Abb. 2/54: Ein Actinfilament besteht aus zwei umeinandergewundenen Fäden aus F-Actin (gelb) und zwei Fäden aus Tropomyosin (hellblau), die in den Vertiefungen zwischen den Actin-Fäden liegen und durch Troponinmolekül-Komplexe miteinander verbunden sind. Die aktiven Stellen sind gestrichelt gezeichnet, um anzudeuten, daß sie verdeckt liegen (s. Text). ren und zwei Paar leichten Ketten, zusammengesetzt. Die Schwanzteile der schweren Ketten sind spiralig umeinandergewundene Peptidketten (Helix). Sie liegen parallel und bilden das Rückgrat des Myosinfilaments (Abb. 2/48g). Die globulären Kopfteile der schweren Ketten sind nach den Seiten abgeknickt. An die Köpfe sind die leichten Ketten angelagert. Die Kopfteile sind gegen die Schwanzteile beweglich. Die Myosinmoleküle haben die Neigung, sich längs so aneinander zu lagern, daß die Köpfchen in regelmäßigem Abstand seitlich aus dem Myosinfilament hervorragen. Die Köpfchen erreichen die in der Nähe liegenden Actinfilamente, an deren aktiven Stellen sie unter bestimmten Voraussetzungen Querbrücken ausbilden. Die schweren Ketten lassen ein mehr oder minder großes Herausragen der Köpfchen aus der Helix zu (Abb. 2/48h). Die Querbrücken erstrecken sich vom Zentrum der Filamente nach beiden Seiten (Abb. 2/ 55). Ein Myosinfilament ist 1,6 µm lang und bildet nach den Seiten ca. 100 Querbrücken aus. Myosinköpfchen besitzen in ihren S1-Fragmenten ATPase-Aktivität, die nach Zusatz von Actin so stark wird, daß jedes Myosinmolekül 5-10 ATP-Moleküle pro Sekunde hydrolisiert. S1-Fragmente können sich entlang der gesamten Länge der Actinfilamente anheften und Querbrücken bilden. Dünne Filamente (Abb. 2/54). Zwei fadenförmige Moleküle (F-Actin), die aus globulärem G-Actin bestehen, sind zusammen mit zwei Tropomyosinfäden wie ein Garnfaden locker gedrillt, wobei jeder Tropomyosinfaden in den Furchen eines Actinfilaments locker liegt und im erschlafften Zustand die aktiven Stellen am Actin so verdeckt, daß deren Bindung an Myosinköpfe nicht möglich ist. Ein Tropomyosinmolekül erstreckt sich über 7 Actinmoleküle. An jedes der zum Tropomyosinfilament polymerisierten Tropomyosinmoleküle binden an spezifische Stellen 3 Troponinpeptide. Eine dieser Untereinheiten, das inhibitorische Troponin I, hat eine starke Affinität für Actin, eine zweite für Tropo-

myosin und die dritte, das Troponin C, für Calcium. Seine Struktur ist ähnlich wie das bei der glatten Muskulatur beschriebene Calmodulin (s. S. 179f). Ohne die Anwesenheit von Calcium oder auch bei niedriger Calciumkonzentration von deutlich weniger als 10 –7 mol/l reagiert das Troponin I mit Actinbindungsstellen für Myosin stark. Dies hat zur Folge, daß die Interaktion von Actin und Myosin gehemmt ist (schwache Bindung). Steigt die Calciumkonzentration im Cytosol an (z. B. nach Einlaufen von erregenden Aktionspotentialen bis auf 10–5 mol/l), verändert es die Bindungsstellen der Untereinheit Troponin C für das Troponin I. Dieses bindet das kontraktionshemmende Troponin I in einer solchen Weise, daß die Bindungsstellen für die Actin-Myosininteraktion frei werden und es zu einer starken Bindung des Myosin-ADP-Komplexes an Actin kommt. Troponin C wirkt somit wie ein Calciumschalter für die Muskelkontraktion. Die Myosinköpfchen sind die Orte derartiger Querbrückenbildung zwischen Actin und Myosin. Bei der Verstärkung der Bindung von Actin und Myosin wird Phosphat frei. Bei diesem Freisetzungsvorgang ändert sich die Konformation des festhaftenden Myosinköpfchens derart, daß eine Kippbewegung des Myosinköpfchens an seiner Halsregion auftritt und das fest gebundene Actinmolekül bewegt. Demnach ist der Übergang von schwacher zu starker Bindung und die damit verbundene Verschiebung von Actin- und Myosinfaden der molekulare Mechanismus der Muskelkraftentwicklung. Man nimmt an, daß die freie Calciumionenkonzentration die Geschwindigkeitskonstante der Phosphatfreisetzung bestimmt. Nach Lokkerung der Bindungsstelle hat sich das Actinmolekül vorgeschoben, so daß die nächste freie Troponinregion dem Myosinköpfchen gegenübersteht (Abb. 2/55). Die Oscillation zwischen schwachem und starkem Bindungszustand und damit verbundener Kippbewegung des Myosinköpfchens findet bei einem Querbrückenzyklus mehrere Male statt, wobei ATP hydrolisiert und die Energie für einen neuen Querbrückenbildungszyklus mit Kippbewegung des Myosinköpfchens be-

190 Gewebe

Abb. 2/55: Molekularer Aufbau eines Sarkomers mit dicken, dünnen und supradünnen Filamenten, schematisch. Zwischen den Z-Streifen und den dicken Myosinfilamenten verbinden die federartig gewundenen supradünnen Titinfilamente (grün); um dünne Actinfilamente (gelb, vgl. Abb. 2/54) winden sich supradünne Nebulinfilamente (schwarz), die Z-Streifen enthalten supradünne Aktininfilamente (rot) und in der M-Zone der Myosinfilamente liegen Myomesine und C-Protein (schwarze Punkte). (Nach ALBERTS et al., 1994, verändert.) reitstellt. Die Hydrolyse von ATP wird durch eine ATPase beschleunigt. Myosin hat in Anwesenheit von Actin (nur dann) eine hohe ATPase-Aktivität, so daß bei hoher Calciumkonzentration ATP in ADP übergehen kann (und umgekehrt). Solange Calcium in der Zelle hoch ist, erfolgen deshalb immer neue Übergänge von schwachem zu starkem Bindungszustand von Actin und Myosin. Bei der Verschiebung von Actin und Myosin werden die Myosinköpfchen (mit den beiden globulären Proteinen) zur Mitte des Sarkomers hin abgeknickt (Abb. 2/48h) und bewegen das Actinfilament in die Richtung zum Zentrum des Sarkomers. Der Vorgang ist vergleichbar mit einem Ruderschlag eines langen vielrudrigen Bootes. Bei einer einmaligen Kippbewegung der Querbrücken verkürzt sich ein einzelnes Sarkomer nur um etwa 20 nm (ca. 1 % seiner Länge). Bei einer isotonischen Kontraktion erfolgt jedoch in etwa 1/10 s eine Verkürzung um ca. 50 % der Sarkomerlänge. Das bedeutet, daß viele Kippbewegungen nacheinander erfolgen müssen, um diese Längenänderung zu bewirken, vergleichbar einer Vielzahl von Ruderschlägen des Bootes, bei der zwar alle Ruderer mit gleicher Frequenz, aber völlig asynchron schlagen. Die innere Struktur einer Querbrücke ist elastisch, so daß bei Anspannung zahlreicher parallel liegender Querbrücken eine elastische Zugkraft in der Muskelfaser entsteht. Ein erheblicher Anteil der Elastizität des Muskels, die für die isometrische Kontraktion eine besonders wichtige Rolle spielt, scheint auf der Struktur des Titins zu beruhen. Titin ist ein großes elastisches Protein, das die dicken Filamente mit den ZScheiben verbindet (Abb. 2/55). Die Architektur der myofibrillären Proteine wird durch einige zusätzliche Strukurproteine stabilisiert, um die Anordnung der Myofibrillen, ihre optimale Distanz zueinander bei den schnell erfolgenden Kraft- und Formveränderungen aufrecht zu erhalten. Solche Proteine sind das Actinin, das Actinfilamente in der Z-Region mitein-

ander verbindet, das C-Protein, ein myosinbindendes Protein im Bereich der M-Linie, Myomesin, das in der M-Linie die dicken Filamente miteinander verbindet, und das Nebulin, welches an die Z-Scheiben anhaftet und parallel mit den Actinfilamenten verläuft. Man nennt diese Filamente alle zusammen auch supradünne Filamente.

2.8.3.4

Energetik

Muskelarbeit erfordert Energie. Sie wird bei der Kontraktion durch Spaltung von ATP in ADP und anorganisches Phosphat geliefert. Wird die ATP-Spaltung gehemmt, so ist das Anheften der Brücken unmöglich und die Muskelkraft sinkt. Der Muskel erschlafft. Es gibt Muskeln, bei denen die ATP-Spaltung pro Zeiteinheit außerordentlich schnell vor sich geht (weiße Muskelfasern), und andere, bei denen sie langsamer abläuft (rote Muskelfasern). Nach der ATP-Spaltung tritt eine Folge von chemischen Reaktionen auf, die die Energie zur Wiederherstellung von ATP (zur Resynthese) verfügbar macht und damit bei der Erschlaffung das Actomyosin wieder in Actin und Myosin umwandelt. Die Hauptenergiereserve des Muskels, aus dem die ATP-Resynthese erfolgen kann, ist wiederum ein phosphathaltiger Stoff, das Kreatinphosphat (eine energiereiche Verbindung von Phosphat mit der Aminosäure Kreatin). Die enzymatische Spaltung des Kreatinphosphats in seine beiden Anteile stellt die Energie zur Resynthese von ATP zur Verfügung. Eine schnell verfügbare Energiequelle für die Synthese von Kreatinphosphat ist das Glykogen, dessen Spaltung in Milchsäure bzw. Brenztraubensäure die

Muskelgewebe

191

Abb. 2/56: Schematische Übersicht über die Wege, die zur Gewinnung von Kontraktionsenergie führen. Ausgezogene Pfeile bedeuten Energieübertragung, gestrichelte Pfeile stoffliche Umwandlung.

Kette der Energiegewinnung für die Muskelkontraktion fortsetzt (Abb. 2/56). Alle diese Änderungen sind zunächst nicht von Sauerstoffzufuhr (s. S. 78) abhängig, so daß ein Muskel sich mehrfach kontrahieren kann, ohne daß Sauerstoff vorhanden sein muß. Die Endprodukte jedoch (speziell die Milchsäure) häufen sich an, und die Energieversorgung wird allmählich schlechter, wenn nicht Sauerstoff für die weitere Verarbeitung von Milchsäure und Brenztraubensäure (Pyruvat) zur Verfügung steht. Bei einem Stop der Sauerstoffversorgung durch das arterielle Blut lassen die Phosphatspeicher eine maximale Muskeltätigkeit für einige Sekunden zu (30- bis 40-Meter-Lauf). Danach muß die Resynthese der energiereichen Phosphatverbindungen durch anaerobe Glykolyse erfolgen (20-30 s). Schließlich besteht ein an Hämoglobin und Myoglobin gebundener Sauerstoffspeicher, der weitere 10-30 Sekunden energetisch decken würde. Das bedeutet, daß eine plötzliche maximale Muskelleistung für ca. 30-60 Sekunden (ohne Sauerstoffzufuhr durch die Lungenatmung) möglich wäre. Alle darüber hinausgehenden Kontraktionsvorgänge des Muskels brauchen zusätzlichen Sauerstoff. Durch seinen Eingriff in die Kontraktion hat das ATP eine Wirkung auf den Muskel, die als „Weichmachereffekt“ bezeichnet wird. Ein ATP-reicher Muskel ist dehnbarer als ein ATP-verarmter. Daher ist ein ermüdeter Muskel leichter verletzbar, denn er ist ATP-ärmer, weniger elastisch und reißt folglich eher. Das ATP wird nicht nur für die Kontraktion, sondern, wie bei den Nervenprozessen bereits erwähnt, auch für die Wiederherstellung des Membranpotentials gebraucht. Zum Ablauf der Spaltung von ATP und der Kontraktion sind Mg++-Ionen erforderlich, außerdem Calciumionen, die die Spaltung von ATP aktivieren und zusammen mit Kaliumionen nach heutiger Auffassung wesentliche Bindeglieder zwischen elektrischer Erregung und Kontraktion darstellen.

Bei der Erschlaffung der Muskelfaser gleiten die ineinander geschobenen Myosin- und Actinfilamente wieder zurück. Die Erschlaffung wird durch den aktiven Rücktransport von Calcium in das endoplasmatische Reticulum eingeleitet. Dadurch sinkt die freie Calciumkonzentration im Inneren der Muskelfaser rasch ab (unter 10–7 mol/l) und beendet so die ATP-spaltende Interaktion von Actin und Myosin, denn dann befindet sich nicht mehr genügend freies Calcium am Troponin. Die Muskulatur erschlafft unter dem jetzt verfügbaren ATP: der Muskel wird weich. Die elektromechanische Kopplung. Ca. 98 % aller Muskelfasern besitzen in ihrem Zentrum eine Muskelendplatte. Das dort ankommende Aktionspotential breitet sich nach beiden Seiten der Faser aus, so daß die Sarkomere des Muskels sich nahezu gleichzeitig kontrahieren können. Aktionspotentiale gelangen bei ihrer Ausbreitung über die Zellmembran entlang des transversalen Tubulussystems (T-System) in das sarkoplasmatische Reticulum im Innern der Muskelfasern. Dort liegen jeder Seite des T-Systems zwei Cisternen des longitudinalen Systems an und bilden eine sog. Triade. Der beim Aktionspotential (S. 188) wirksame Stromfluß öffnet Calciumkanäle des sarkoplasmatischen Reticulums, einem Netzwerk von Membrantubuli, das jedes A-Band der Myofibrillen umgibt. Durch Calciumkanäle in den Membranen des sarkoplasmatischen Reticulums fließen die dort angereicherten Calciumionen in das Cytoplasma und binden sogleich an das Troponin. Dieser Prozeß löst die oben beschriebene Kontraktion aus. In den Wänden des sarkoplasmatischen Reticulums wird hierbei eine Ionenpumpe für

192 Gewebe

Abb. 2/57: Längenspannungsdiagramm eines aus dem Körper präparierten Muskels. Mit R ist die Ruhedehnungskurve gekennzeichnet, die so gewonnen wird, daß an den Muskel Gewichte zunehmender Schwere gehängt werden, welche als Kraft (N) auf den Muskel wirken. Die Länge (in mm) wird bei unterschiedlichen Gewichten bestimmt. Von der Ruhedehnungskurve aus werden dem Muskel Kontraktionen aufgezwungen, indem der Muskel elektrisch übermaximal gereizt wird. Die waagrechten Pfeile zeigen die Verkürzung des Muskels bei einem frei beweglichen Muskelende als isotonische Maximalkontraktion (A → B), während die senkrechten Pfeile die Kraftentwicklung bei festgehaltenen Muskelenden darstellen (isometrische Kontraktionskraft A → C). Die erhaltenen Gipfelpunkte bei maximaler isotonischer und isometrischer Muskelkontraktion sind eingetragen und ergeben die Kurven der isometrischen Maxima (Im) und der isotonischen Maxima (Itm). Im Körper sind die Muskeln meist vorgespannt, so daß sich ein Muskel natürlicherweise nicht vom Nullpunkt der Ruhedehnungskurve aus kontrahiert.

Ca++-Ionen aktiviert, die das Calcium in die Cisternen zurückpumpt. Die Pumpe hat die Fähigkeit, eine Calciumkonzentration im sarkoplasmatischen Reticulum herzustellen, welche 2 000mal höher ist als die im Cytoplasma. Bei erschlafftem Muskel beträgt die freie Ca++-Konzentration im Cytoplasma zwischen 10–8 und 10–7 mol/l. Bei der Kontraktion kann sie bis auf 2 · 10–4 mol/l ansteigen. Ein „Calciumstoß“ für die Kontraktion dauert 1/30 s (im Herzmuskel 1/3 s). Bei einem einzelnen Aktionspotential entsteht lediglich eine Einzelzuckung, weil das Calcium aktiv außerordentlich rasch wieder in das sarkoplasmatische Reticulum zurückgepumpt wird. Ist die Aktionspotentialfolge so hoch, daß ein Tetanus (s. weiter unten) auftritt, dann bleibt der Calciumionenspiegel auch zwischen den Reizen erhöht, weil die „Calciumpumpe“ zwischen den einzelnen Reizen die Calciumionen nicht wieder vollständig in das Longitudinalsystem des 232

ísos (gr.) – gleich; métron (gr.) – Maß.

sarkoplasmatischen Reticulums zurückpumpen kann. Das ist der Grund dafür, daß rasch aufeinanderfolgende Einzelzuckungen die Faserverkürzungen fast vollständig zum Tetanus verschmelzen können und eine Dauerkontraktion verursachen. Die eigentliche Kontraktion ist demnach eine Interaktion von Actin- und Myosinmolekülen.

Kontraktionsformen. Versucht man vergeblich, einen sehr schweren Gegenstand vom Boden aufzuheben, dann entwickelt die tätige Muskulatur Spannung, kann aber seine Gesamtlänge nicht verkürzen. Diese Spannungssteigerung wird als isometrische232 Kontraktion bezeichnet, weil die Gesamtlänge des Muskels sich dabei nicht verändert (in Abb. 2/57 von A1 nach C 1 bzw. von A2 nach C2). Eine sich stetig steigernde Kontraktion tritt z. B. in der Armbeugemuskulatur ein, wenn man mit gebeugtem Arm einen Eimer unter den Wasserhahn hält und ihn vollaufen läßt. Wenn sich jedoch ein Muskel durch seine Kontraktion bei gleichbleibender Spannung verkürzt, bezeichnet man dies als iso-

Muskelgewebe 193

tonische Kontraktion (in Abb. 2/57 von Al nach B1 bzw. von A2 nach B2). Diese beiden Kontraktionsformen sind aber Grenzfälle und in der Regel in der auxotonischen 233 Kontraktion kombiniert. Will man einen schweren Gegenstand vom Boden aufheben, dann muß man die Muskulatur zunächst isometrisch kontrahieren, bis diejenige Spannung entwickelt ist, die das Gewicht des Gegenstands weiter anheben kann, indem sie sich, abgesehen von der Spannungsänderung wegen des sich zur Schwerkraft ändernden Hebelarms, im wesentlichen nur noch isotonisch kontrahiert. Diese Art der Kontraktion bezeichnet man als Unterstützungskontraktion. Als Anschlagskontraktion wird eine Kontraktionsform bezeichnet, bei der zuerst eine isotonische und dann eine isometrische Kontraktion erfolgt (z. B. Bewegung einer Hand gegen eine Wand mit darauf folgendem Druck gegen die Wand). Bei der natürlichen Kontraktion eines Muskels hängt dessen Spannungsentwicklung außer von der Temperatur vom jeweiligen Dehnungszustand des Muskels ab. Dies zeigt sich bei der Darstellung der Beziehung zwischen Länge und Zugspannung eines Muskels in Ruhe und bei der Kontraktion. In einem Längen-SpannungsDiagramm (Abb. 2/57) ist diese Beziehung deutlich zu erkennen. Die Muskeln sind im Körper so befestigt, daß sie auch bei maximaler Näherung der Skeletteile noch gedehnt und damit zu Kraftentwicklung befähigt sind (s. unten). Abb. 2/58 zeigt das Verhältnis von Sarkomerenlänge und Kraftentwicklung einer einzelnen isolierten Muskelfaser. Die Kraftentwicklung ist vom Überlappungsgrad der Myosin- und Actinfilamente abhängig. Sowohl bei stärkerer Überlappung von Actin- und Myosinfilamenten als auch dann, wenn die Actinfilamente so weit aus den Myosinanteilen des Sarkomers herausgezogen sind, daß kaum noch Brückenbildung möglich ist, wird die Kraftentwicklung gering. Die größte Kraftentwicklung ist möglich, wenn die Zahl der Querbrückenbildungen maximal ist. Weil beim Gesamtmuskel das in ihm liegende 233 234 235

auxánein (gr.) – vermehren. s. auch Elektrokardiogramm, S. 315ff. stéthos (gr.) – Brust; skopéin (gr.) – sehen, untersuchen; das Hörrohr, mit dem auf der Brust die Atemund Herzgeräusche abgehört werden.

Abb. 2/58: Längen- Spannungs-Diagramm eines einzelnen Sarkomers. Rechts oben ist der Überlappungsgrad der Filamente bei unterschiedlichem Kontraktionszustand dargestellt (A bis D). Die dicken Filamente (rot) symbolisieren Myosin, die schwarzen dünnen Linien stellen Actinfilamente dar. Die meisten Querbrückenbildungen sind bei Position B und C möglich, deshalb ist die im linken Teil der Abbildung dargestellte Spannungsentwicklung hier am größten. Das Sarkomer ist bei maximaler Kraftentwicklung 2,0-2,2 µm lang.

Bindegewebe verhindert, daß er sich in allen Teilen bei jedem Punkt der Ruhedehnungskurve gleichmäßig verhält, weicht die Form der Kontraktion (Abb. 2/57) von derjenigen eines einzelnen Sarkomers (Abb. 2/58) ab. Bei der Kontraktion, ob es sich nun um eine isometrische oder eine isotonische handelt, treten elektrische Aktionsströme auf, die sich registrieren lassen234. Außerdem kann man durch Auflegen des Ohres, eventuell unter Zuhilfenahme eines Stethoskops235, einen Ton hören. Die geschilderten Verkürzungen sind nicht die einzigen Formen der Verkürzung, die beim Muskel vorkommen. Es gibt Dauerdepolarisationen, bei welchen freies Calcium in Muskelfasern dauernd erhöht ist. Dieser als Kontraktur bezeichnete Vorgang kommt bei erhöhter Kaliumkonzentration im Extrazellularraum vor und entspricht einer Dauererregung. Es ist ein aktiver reversibler Kontraktionsmechanismus. Ein anderer Zustand ist die Muskelstarre, welche dann auftritt, wenn das ATP sehr stark erniedrigt ist. Man bezeichnet diesen Zustand auch als Rigor. Diese Art von Rigor ist aber streng zu unterscheiden von dem Rigor bei der PARKINSONschen Erkrankung (s. S. 662). Der sogenannte Muskelkater, der beim Untrainierten mehrere Stunden nach ungewohnter, anstrengender Körperarbeit auftritt, wird wahrscheinlich durch Risse in den Z-Scheiben einzelner Muskelfibrillen verursacht. In schwachen Muskeln ist die Kraft der Kontraktion entlang der Fasern nicht gleich,

194 Gewebe so daß die stärkeren Anteile der Fasern die schwächeren über die Zerreißgrenze dehnen können, wenn hohe Spannungen entwickelt werden. Es kommt nach den Zerreißungen zu Flüssigkeitseinlagerungen in die geschädigten Zellen, wenn die zerstörten Fasern abgebaut werden. Das bewirkt ZellSchwellungen und Schmerzen, die noch verstärkt werden, wenn die Schwellung die kapilläre Blutversorgung lokal vermindert. Totenstarre. Auf dem ATP-Verlust beruht in der Hauptsache die Toten- oder Leichenstarre. Wegen der permanenten Anhaftung der Querbrücken kann die Muskulatur weder gedehnt noch kontrahiert werden. Bei einem gewaltsamen Dehnungsversuch reißt sie. Die Starre tritt in den einzelnen Muskeln, je nach ihrer gewohnheitsmäßigen oder auch der dem Tode vorausgegangenen Beanspruchung, früher oder später ein. Ein gut ausgeruhter Muskel kann erst nach Stunden, ein vor dem Tode erschöpfter Muskel, bei dem die Energiespeicher verbraucht waren, dagegen sofort in Starre verfallen. So wird z. B. gehetztes Wild oft unmittelbar nach dem tödlichen Schuß steif. Beim Menschen ist der erste Muskel, der in Starre fällt, das Herz; darauf folgt die Kaumuskulatur. Erst bei beginnender Zersetzung des Muskels schwindet die Starre wieder. Dabei lösen sich die einzelnen Muskeln ungefähr in derselben Reihenfolge, in der sie in Starre gefallen sind. Das Wissen um die Zeiten des Eintretens und Lösens der Leichenstarre gibt dem Gerichtsmediziner Hinweise, wann etwa der Tod eintrat.

Reaktion des Muskels auf Reize. Man kann einen Muskel durch einen elektrischen Stromstoß direkt oder durch Auslösen eines Erregungsimpulses im zugehörigen Nerven indirekt reizen. Es erfolgt in beiden Fällen eine Zuckung des Muskels, die aus einer raschen Verkürzung mit nachfolgender langsamer Erschlaffung besteht. Sie ist die Elementarfunktion der Muskelbewegung. Läßt man weitere Reize in größerer Geschwindigkeit folgen, so bleibt der Muskel verkürzt. Bei rascher periodischer Reizung des Muskels ist somit infolge der Überlagerung (Superposition) der Zuckungen die Kontraktionsamplitude größer als bei der Einzelzukkung, und der Muskel verbleibt während der Dauer der periodischen Reizung im kontrahierten Zustand. 236

237

tétanos (gr.) – Spannung; der Ausdruck wird für die Muskelkontraktion, aber auch für den mit Muskel spannungen einhergehenden Wundstarrkrampf gebraucht. Vgl. Tetanie, S. 171, speziell bei Unterfunktion der Epithelkörperchen, S. 717. tónos (gr.) – das Spannen, Anspannung.

Der Grund für die Superpositionen der Einzelzuckungen ist der jeweils bestehen bleibende Kontraktionsrückstand aus der vorherigen, reizbedingten Kontraktion. Bei sehr schneller Reizfolge (über 20 Hz) reicht die Zeit zwischen den Reizimpulsen nicht mehr aus, um Calcium vollständig zurückzupumpen. Dann verschmelzen die Zuckungen zum Tetanus236, der je nach der Reizfrequenz unvollständig oder vollständig sein kann (Abb. 2/59). Bei sehr hohen Reizfrequenzen sinkt nach relativ kurzer Zeit die Amplitude der Einzelzuckung wieder ab, denn es treten Ermüdungserscheinungen auf. Die notwendigen Frequenzen zur Herstellung eines glatten, vollständigen Tetanus sind bei den einzelnen Muskeln unterschiedlich. Die hierzu erforderlichen Frequenzen werden als Verschmelzungsfrequenzen bezeichnet. Bei Muskeln, die relativ langsam reagieren, liegen sie bei ca. 30 Reizen pro Sekunde, bei anderen können sie wesentlich höher sein. Die höchsten Verschmelzungsfrequenzen wurden mit 350 Reizen/s an den äußeren Augenmuskeln gemessen. Der natürliche Tetanus eines Muskels wird durch Impulse aus dem Nervensystem hervorgerufen und unterhalten. Der Tonus 237 ist die Gesamtspannung, in der sich ein Körpermuskel auch in Ruhe befindet. Er beruht darauf, daß sich im Gesamtmuskel allenthalben immer wieder einzelne Muskelfasern kurz kontrahieren. Dadurch steht der Gesamtmuskel unter einer gewissen Spannung. Je mehr Einzelfasern sich gleichzeitig kontrahieren, desto höher ist der Gesamttonus, der außerdem vom Dehnungszustand des Muskels abhängt. Der Reaktionsablauf an der einzelnen Muskelfaser folgt der Alles-oder-Nichts-Regel, d. h., der Schwellenreiz zur Auslösung des Aktionspotentials entspricht in seiner Wirkung einem stärkeren Reiz (s. Nervenerregung, S. 156). An jedem ganzen, aus vielen Muskelfasern bestehenden Muskel sehen wir allerdings, daß die Alles-oder-Nichts-Regel nicht in gleicher Weise gilt. Hier nimmt die Zuckungsamplitude mit steigender Reizstärke bis zu einem Maximum zu. Das hat seinen Grund darin, daß bei schwachen elektrischen Reizen die Stromdichte nur an den unmittelbar der Kathode benachbarten Muskelfasern für eine überschwellige Erregung ausreichend ist. Mit zunehmender Stromstärke werden immer mehr entfernt liegende Fasern erregt (rekrutiert). Eine Abstufung der Muskel-

Muskelgewebe 195

Abb. 2/59: Muskelfaserreizung. Im ersten Teil der Abbildung sind mehrere Muskelfasern nacheinander gereizt worden, wobei deren Kontraktionen sich überlagern. Nach den anfänglichen Anstiegen sieht man die Erschlaffung jeder einzelnen Muskelfaser als abfallenden Kurventeil. Die Kontraktionsamplitude wächst bei der vorgegebenen Frequenz jedoch an. In den Teilen 2 und 3 der Abbildung ist ein unvollständiger und ein vollständiger Tetanus bei langsamerer Registrierung dargestellt, wobei der gesamte Muskel betroffen ist. Man beachte die glatte Kontraktionslinie bei vollständigem Tetanus.

kontraktion im Körper hängt von der in Aktion tretenden Zahl der motorischen Einheiten ab. Eine motorische Einheit ist die kleineste funktionelle Einheit eines Muskels. Sie besteht aus einem motorischen Neuron und den von ihm innervierten Muskelfasern. Motorische Einheiten haben unterschiedliche Größen. Im Musculus biceps des Armes werden ca. 750 Muskelfasern von einem Neuron versorgt. Im äußeren Augenmuskel versorgt ein Neuron nur 6 bis 10 Muskelfasern. Haben Muskeln viele kleine motorische Einheiten, z. B. Muskeln, die für eine genaue Einstellung von Bewegungen sorgen müssen (Augenmuskeln, Fingermuskeln), so werden hohe Präzisionen der Kontraktionsformen möglich. Haltemuskeln kommen in der Regel mit viel gröberer Innervation aus. Neben der Zahl der motorischen Einheiten, die die Abstufungsmöglichkeiten der Kontraktion bewirken, kann, wie schon erwähnt, die Änderung der Impulsfrequenz, die den Muskel trifft, die Kontraktion abstufen. Fast alle Skelettmuskeln setzen sich aus drei Typen motorischer Einheiten zusammen: 1. S-(= slow-) Einheiten, die sowohl bei der Einzelzuckung als auch bei tetanischen Kontraktionen mit langsamem Kraftanstieg und geringer Kontraktionskraft reagieren, die über lange Zeit aufrecht erhalten werden kann. Die Fasern dieses Typs haben eine Enzymausstattung, die einen aeroben Stoffwechsel bedingen. 2. FR- (= fast, fatigue-resistant-) Einheiten entwickeln bei Einzelzuckungen und Tetanus einen schnellen

Kraftanstieg mit mittlerer Kontraktionskraft. Langdauernde Kontraktionen sind möglich. Kombinierter aerober und anaerober Stoffwechsel. 3. FF-(= fast, fast fatigable-) Einheiten. Sie können bei schnellem (engl.: fast) Kraftanstieg eine hohe Kontraktionskraft entwickeln, sind bei lang anhaltenden Kontraktionen schnell ermüdbar (engl. fast fatigable). Das Zentralnervensystem aktiviert die unterschiedlichen Einheiten aufgabengerecht. So werden beim aufrechten, bequemen Stehen nur S- und einige FR-Einheiten, bei Laufen ein größerer Anteil von FR-Einheiten, bei Bewegungen mit hoher und schnell erforderlicher Kontraktionskraft zusätzlich FF-Einheiten mobilisiert. Elektromyographie: Eine Registrierung der Aktionspotentiale ist mit Hilfe der Elektromyographie möglich, bei der die im Muskel entstehenden Potentiale von der Hautoberfläche abgeleitet werden können. Der Verlauf einer Muskelzuckung wird durch die Vorgänge von De-, Um- und Repolarisation an der Muskelfaseroberfläche (der Membran) eingeleitet, die als Erregungs- und Kontraktionswelle mit einer Geschwindigkeit von wenigen bis über 10 m/s über den Skelettmuskel hinweglaufen kann. Dabei sind Aktionspotentiale in ähnlicher Weise zu registrieren wie beim Nerven. Die Zeit zwischen dem Reiz und dem Start der Kontraktion heißt Latenzzeit. Sie ist von der Temperatur abhängig. Bei hohen Temperaturen ist sie kürzer als bei niederen Temperaturen, bei glatten Muskeln wesentlich langsamer als bei quergestreiften Muskeln. Veränderungen der Elektromyogramme werden bei Störungen der Erregungsübertragung vom Nerv auf den Muskel und bei Erkrankung der Muskelfaser gefunden.

196 Gewebe

Die äußere, meßbare Arbeit, die ein Muskel bei tetanischer Kontraktion leistet, ist das Produkt von Muskelverkürzung und Last. Die Arbeit ist Null, wenn sich der Muskel ohne Last verkürzt, sie ist auch Null, wenn die Last gleich der isometrischen Maximalkraft oder größer als diese ist. Die Arbeit wird bei mittlerer Belastung maximal. Auch die Verkürzungsgeschwindigkeit ist von der Belastung abhängig. Mit zunehmender Belastung nimmt die Verkürzungsgeschwindigkeit ab. Die lastfreie Verkürzungsgeschwindigkeit beträgt bei der Armmuskulatur des Menschen etwa 8 m/s. Sie geht auf ca. 1,6 m/s zurück, wenn die relative Muskelbelastung halb so groß ist wie die maximal mögliche Kraft unter isome-trischen Bedingungen. Ist die Belastung gleich der isometrische Maximalkraft, so verkürzt sich der Muskel nicht. Bei noch größerer Belastung wird er gedehnt. Eine solche Dehnung federt z. B. die Bremswirkung von Muskeln beim Berg-absteigen ab. Die von HILL238 gefundene Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung erklärt, weshalb sich sehr schnelle Bewegungen bei geringer Kraftaufwendung besser ausführen lassen und schwere Gegenstände bei hohem Kraftaufwand nur langsam angehoben werden können. Wenn eine Last mit allen Fasern eines Muskels angehoben wird, so ist die Belastung pro Faser geringer und ihre Kontraktionsgeschwindigkeit größer als wenn nur ein Teil der Fasern eines Muskels die gleiche Last hebt. Das bedeutet, daß durch Rekrutierung zusätzlicher Muskelfasern bei gleichbleibender Belastung des Muskels dessen Verkürzungsgeschwindigkeit größer werden kann. Bei isometrischen Kontraktionen sind Querbrücken in dauernder zyklischer Tätigkeit. Sie verbrauchen dabei ATP und damit Energie für die sog. Haltearbeit. Diese ist als Wärme meßbar. Bei jeder Form der Muskelarbeit wird nur ein Teil der durch ATP-Spaltung frei werdenden Energie (48 kJ/ mol ATP) in mechanische Arbeit umgesetzt. Mehr als 50 % der verfügbaren Energie wird in Wärme umgewandelt, die bei Beginn und während der Kontraktion den Muskel etwas aufheizt. Das Verhältnis von Arbeit zu aufgewendeter Energie (der Wirkungsgrad) beim Gleitmechanismus von Actin und Myosin beträgt etwa 50 %. Der Wirkungsgrad der nach außen geleisteten, meßbaren Arbeit ist aber geringer (20 bis

238

HILL, A., 1886-1977, engl. Physiologe, Nobelpreis 1922.

30 %). Die Regenerierung des ATP und die Tätigkeit der Ionenpumpen ist mit hoher Wärmebildung verbunden, der Erholungswärme. Je höher die Arbeitsleistung ist desto höher wird die Wärmebildung und damit der Verbrauch an energiereichen Substraten und Sauerstoff. Die Wärmebildung verursacht Temperatursteigerungen, evtl. Schwitzen, aber auch Atemnot, wenn die Sauerstoffzufuhr unzureichend wird.

Muskelleistung ist das Produkt aus Verkürzungsgeschwindigkeit und Muskelkraft. Sie wird am größten bei mittlerer Belastung. Deshalb werden Muskelkraftmaschinen so konstruiert, daß die Leistung ein Maximum erreichen kann (z. B. Fahrradübersetzungen). Muskelermüdung kommt zustande, 1. wenn die Zeitspanne der Erschlaffungsphase nicht ausreicht, Defizite auszugleichen (bei statischer Arbeit ist dieser Zeitpunkt schnell erreicht), 2. bei nicht ausreichender Nachlieferung von Energie aus den Glykogenvorräten, 3. bei so starker Verminderung des Glucosespiegels, daß die Normalfunktionen im Zentralnervensystem gestört werden, 4. bei kritischer Verminderung des Sauerstoffangebots durch das Blut, z. B. in extremen Höhen, 5. bei Störung der Kontraktionsvorgänge durch zu starke Anreicherung von Wasserstoffionen und Laktat im Muskel, 6. bei Störung integrativer Zentren des Zentralnervensystems für das Zusammenspiel der Steuerungen von koordinierten Muskelaktionen.

2.8.3.5

Allgemeiner Bau der Skelettmuskulatur und ihre Mechanik

Fiederung. Da das Volumen eines Muskels sowohl in größter Dehnung wie in größter Verkürzung gleich groß ist, ergibt sich bei einer Verkürzung auf die Hälfte eine Querschnittszunahme auf das Doppelte (der Durchmesser vergrößert sich dabei um √2. Angenommen, alle Muskelfasern eines Muskels würden parallel liegen und in gerader Fortsetzung in die gebündelten kollagenen Fasern der Sehnen übergehen, würde die Dickenzunahme bei der Kontraktion ein erhebliches räumliches Hindernis besonders am Sehnenübergang bedeuten. Die Muskelfasern sind aber stets schräg in einem sog. Fiederungswinkel an der Sehne angeheftet (Abb. 2/60). Bei der Kontraktion drücken sich die Muskelfasern wegen ihrer Querschnittszunahme und richten sich dadurch gemeinsam auf, so daß der Fiederungswinkel größer wird.

Muskelgewebe 197 Abb. 2/60: Verkürzung der Skelettmuskulatur bei der Kontraktion. Links: einfache Verkürzung auf die Hälfte der Entspannungslänge; rechts: Hubhöhengewinn durch Abspreizung der sich verdickenden Muskelfasern bei winkligem Übergang auf die Sehne.

Durch die Vergrößerung des Fiederungswinkels kommt zu der Hubhöhe, die durch die kontraktionsbedingte Verkürzung der Muskelfaser erreicht wird, ein Hubhöhengewinn hinzu (Abb. 2/60), so daß also durch Kontraktion und Winkeländerung die Gesamthubhöhe größer wird. Viele Muskeln sind einfach gefiedert, ihre Sehnen sind nicht nur an den Enden befestigt, sondern nehmen jeweils noch ein gutes Stück der Außenseite des Muskels ein (Abb. 2/61), was durch die Fiederung bedingt ist. Außer ihnen gibt es aber auch zahlreiche doppelt gefiederte Muskeln, deren eine Sehne den Muskelanfang umhüllt und deren andere Sehne aus dem Inneren des Muskels entspringt (Abb. 2/62). Seltener sind die mehrfach gefiederten Muskeln (z. B. der Deltamuskel, Abb. 2/62). Muskelverkürzung. Im Experiment kann man erreichen, daß sich eine isolierte Muskelfaser durch künstlichen Reiz auf etwa 1/8 ihrer Dehnungslänge kontrahiert; doch kommt das im lebenden Körper nicht vor. Denn einmal ist dort die Muskulatur so eingebaut, daß ihre Fasern auch bei größtmöglicher Entfernung der Muskelbefestigungsstellen nicht maximal gedehnt sind; zum anderen kontrahiert sie sich gegen einen Widerstand und kann sich deshalb nicht auf ihr mögliches Minimum verkürzen, da sonst ihre

Zugkraft gleich Null würde. Im lebenden Körper dürfen wir mit einer kontraktionsbedingten Verkürzung der Muskelfasern auf etwa die Hälfte rechnen; das ist das Optimum ihres Arbeitsbereiches. Die Änderung der Muskellänge wird durch die Elastizität des Muskels mitbestimmt. Wendet man bei einem Muskel einen bestimmten Zug pro Flächeneinheit des Muskels auf und setzt die entstehende Spannung in das Verhältnis zur relativen Längenänderung, die durch diesen Zug bewirkt wird, so erhält man ein Maß der Elastizität, den Elastizitätsmodul: E=

N·l mm2 ·∆l

Eine große Dehnbarkeit bedeutet daher einen kleinen Elastizitätsmodul (E), weil das ∆l (Längenänderung) im Nenner steht; (l = Länge des Muskels, N = Kraft in Newton). Wegen der schnellen Rückkehr auf die Ausgangslänge nach Entlastung wird der Skelettmuskel als gummielastisch bezeichnet. Muskelkraft. Die Kraft eines Muskels entspricht seinem physiologischen Querschnitt, wobei sämtliche Fasern quer zur Länge gemessen werden müssen.

198

Gewebe

Abb. 2/62: Schematische Darstellung des Verhältnisses der Muskelfasern zur Sehne (S). a) einfach, b) doppelt, c) mehrfach gefiederter Muskel. (c Beispiel des Deltamuskels.) Abb. 2/61: Beispiel eines einfach und eines doppelt gefiederten Muskels.

Durchschnittlich kann man für 1 cm 2 Muskelquerschnitt eine Kraftentwicklung von 80-100 N annehmen. Zwei Muskeln von gleichem Volumen können somit verschieden kräftig sein, wenn der eine aus vielen, aber kurzen, der andere aus wenigen, aber langen Fasern besteht (Abb. 2/63); deren Hubhöhe ist dann allerdings auch verschieden. Berechnet man so den physiologischen Querschnitt des bekannten zweiköpfigen Oberarmmuskels (Biceps, jeder Kopf ist einfach gefiedert), erhält man eine individuell verschiedene Kraft von 450 bis 1 200 N und mehr. Bei dem doppelt gefiederten, geraden Oberschenkelmuskel oder

dem dreiköpfigen Wadenmuskel werden diese Kräfte um ein Vielfaches überschritten. Diese enorme Kraft der Muskulatur ist notwendig, denn sie muß ja nicht nur die Gliedmaßen bewegen, sondern mit diesen auch Arbeit ausführen. Dabei fällt besonders ins Gewicht, daß die Muskulatur der Gliedmaßen häufig sehr gelenknah am Hebelarm befestigt ist. Der Vorteil, der dabei erreicht wird, daß nämlich die Gliedmaßen auch bei stärkerer Beugung schlank bleiben, muß mit einer erheblichen Kraftentwicklung erkauft werden.

Abb. 2/63: Schematische Darstellung zur Bestimmung des wirksamen Muskelquerschnitts Q. Die Anordnung der Muskelfasern in a) bewirkt einen kleineren wirksamen Querschnitt als in b). Die Möglichkeit zur Erhöhung der Muskelkraft bei b) wird durch eine geringere Muskelverkürzung bei Kontraktion auf halbe Faserlänge (Hubhöhe H) erkauft.

Muskelgewebe 199

Abb. 2/64: Unterschiedliche Dreh- (D) und Gelenkwirkung (G) desselben Muskels bei verschiedenen Gelenkstellungen. (Erläuterungen im Text.)

Gelenkwirkung. Bei jedem Muskel müssen wir eine Gelenkwirkung und eine Drehwirkung unterscheiden (Abb. 2/64). Bei der Drehwirkung kommt eine Bewegung im Gelenk zustande. Unter Gelenkwirkung ist zu verstehen, daß die beiden gelenkbildenden Knochen im Gelenk aneinandergepreßt werden, was z. B. gegen die Zugbeanspruchung auf eine Gliedmaße erforderlich ist, wie beim Hang an den Armen oder beim Wegziehen eines Wagens. Eine Zugwirkung auf das Gelenk bei spitzwinkliger Gelenkstellung wird jedoch durch entsprechende Knochenvorsprünge als Druck aufgefangen (Abb. 2/64d). Die Drehwirkung ist dann am größten, wenn Muskel und zu bewegender Knochen senkrecht aufeinander stehen; die Gelenkwirkung ist bei dieser Stellung am kleinsten, nämlich fast Null (Abb. 2/64c). Sie ist dagegen am größten, wenn beide Skeletteile in gerader Fortsetzung verlaufen und der Muskel beiden parallel anliegt; dann ist die Drehwirkung praktisch gleich Null (Abb. 2/64a). Eine Drehwirkung wird aber in solchen Fällen dadurch erreicht, daß in die Sehne kurz vor ihrem Ansatz ein Sesambein 239 eingelagert ist, das

239

Die meisten dieser Knorpel oder Knochen ähneln den Samen der Sesampflanze.

Abb. 2/65: Wirkung des Sesambeins für die Angriffsrichtung eines Muskelsehne bei gestreckter Gliedmaße.

sie abwinkelt und ihr so eine geeignetere Zugrichtung gibt (Abb. 2/65). Das größte Sesambein des Körpers ist die Kniescheibe, die in der Ansatzsehne des vierköpfigen Oberschenkelmuskels (s. S. 234) liegt und ihr eine günstige Angriffsrichtung auch bei gestrecktem Knie verleiht. Zahlreich sind die Sesambeine an Hand und Fuß; sie sind aber häufig nicht knöchern, sondern nur knorpelig und dann auf dem Röntgenbild nicht zu sehen. (In Abb. 3/32, S. 234, sind drei knöcherne Sesambeine erkennbar.)

200 Gewebe

Abb. 2/66: Der Deltamuskel als Beispiel für Überwandern der Gelenkachse durch Muskelteile und dadurch hervorgerufene Umkehr ihrer Wirkung auf das Gelenk.

Abb. 2/67: Der Deltamuskel als Beispiel für Antagonismus innerhalb desselben Muskels. Die hellroten Partien führen den Arm einerseits nach vorne, andererseits nach hinten; die dunkelrote Muskelkomponente dient speziell der Seitwärtsbewegung des Arms.

Gegenspieler. Da die Muskulatur nur durch Kontraktion Kraft entfalten und Arbeit leisten kann, aber keine Möglichkeit hat, sich aktiv zu verlängern, bedarf es an allen Gelenken mindestens zweier Muskeln, die entgegengesetzte Bewegungen und zugleich die Verlängerung ihrer Gegenspieler bewirken. Solche Gegenspieler heißen Antagonisten240. Diejenigen Muskeln, die bei einer Bewegung die gleiche Tätigkeit ausüben wie der Agonist, heißen Synergisten241. Es gibt fast keine Bewegung im Körper, für die nur ein einziger Muskel vorhanden ist (Siche-

240 241

antí (gr.) – gegen; agonízestai (gr.) – kämpfen. syn (gr.) – mit; ergázestai (gr.) – wirken.

rung gegen Ausfall, Lähmung oder Ermüdung einzelner Muskeln). Die Frage, ob ein Muskel als Synergist oder Antagonist tätig ist, ist abhängig von der auszuführenden Bewegung und der jeweiligen Gelenkstellung. Da ferner ein Muskel sich nicht immer in all seinen Teilen zugleich kontrahiert, sondern auch einzelne Abschnitte für sich innerviert und kontrahiert werden können, ist es gar nicht so selten, daß ein Muskel mit seinen verschiedenen Teilen auch entgegengesetzte Bewegungen ausführen kann; er ist dann sein eigener Antagonist. Ein treffendes Beispiel hierfür ist der Deltamuskel (Abb. 2/67 und S. 229); auch die beiden Köpfe des Biceps (S. 228) sind bezüglich des Schultergelenks Gegenspieler. Außerdem kommt es vor, daß während einer Bewegung einzelne Teile eines Muskels die Gelenkachse überschreiten und dann das Gegenteil der vorherigen Wirkung ausüben; auch hierfür ist wieder der Deltamuskel (S. 229) ein gutes Beispiel (Abb. 2/66). Außer dem Antagonismus der Muskulatur ist aber stets noch eine Kraft zu berücksichtigen, die einen zuvor verkürzten, aber nun erschlafften Muskel wieder dehnen kann: die Schwerkraft. Nur bei Bewegungen in der Horizontalen ist die Schwerkraft ohne direkten Einfluß. Bei jeder anderen Bewegung spielt sie die Rolle eines Partners, sei es als Antagonist oder als Synergist. Wenn ein stehender Mensch den Arm hebt, so wirkt er dabei mit der dafür in Betracht kommenden Muskelgruppe (Delta-, Obergräten-, Kapuzen- und vorderem Sägemuskel, s. S. 229) der Schwerkraft entgegen. Nimmt er daraufhin den Arm langsam wieder herunter, so betätigt er keineswegs die Antagonisten jener

Muskelgewebe

Muskeln (also den großen Brust-, den breiten Rücken- und den Rautenmuskel mit dem Schulterblattheber, s. S. 330, sondern die vorgenannten Muskeln, die den Arm erhoben haben, lassen in ihrer Spannung etwas nach, damit sich die Fasern gerade in dem Maße verlängern können, daß der Arm langsam nach unten geführt wird und nicht der Schwerkraft folgend nach unten fällt. Auch bei der Rumpfbeuge vorwärts aus dem Stehen wird nicht etwa die Rumpfbeugemuskulatur beansprucht, sondern – im Gegenteil – je mehr der Rumpf nach vorne geneigt wird, desto stärker muß die Rumpfstreckmuskulatur sich anstrengen, den Oberkörper der Schwerkraft entgegenzuhalten, da die Hebelwirkung immer größer wird. Aus diesem Grunde müßte man eigentlich zur Charakterisierung der Tätigkeit eines Muskels immer die verschiedenen Körperstellungen im Raume angeben und dazu dann jeweils die Funktion des Muskels. Solche ausführlichen Darstellungen würden aber bald langweilig werden. Deshalb stellt man die Funktion eines Muskels im allgemeinen vom stehenden Menschen aus dar. Nach dem oben Gesagten ist aber klar, daß z. B. eine Rumpfbeuge vorwärts vom stehenden Menschen mit anderen Muskeln ausgeführt wird als vom liegenden usw. Aus der Lage eines Muskels zu dem von ihm übersprungenen Gelenk können wir jedoch leicht alle seine möglichen Wirkungen ableiten.

Aus dem ganzen bisher Gesagten mag hervorgehen, daß wir uns bei einer Analyse auch eines nur kleinen Bewegungsvorganges doch nur schematisierend die Wirkungen der einzelnen beteiligten Muskeln klarmachen können, ohne jeweils das vollständige Muskelspiel zu erfassen.

201

203

3 Bewegungsapparat Unter dem Begriff Bewegungsapparat werden die durch Gelenke verbundenen Knochen des Skeletts und die sie über Sehnen bewegenden Muskeln zusammengefaßt. Hier sollen also in Grundzügen die Formen und gelenkigen Zusammensetzungen des menschlichen Skeletts sowie die wichtigsten Muskeln beschrieben werden. Den Einzelbeschreibungen muß dabei ein allgemeines Kapitel über den Gelenkbau vorausgeschickt werden. Allgemeiner Hinweis: In den Abbildungen sind wichtige überknorpelte Gelenkflächen blau, Bandverbindungen überwiegend gelb und Sehnen schwarz dargestellt.

3.1 Knochenverbindungen und Gelenke Als Wachstumsfuge zwischen Schaft (Diaphyse) und Epiphyse haben wir bei der Besprechung der Knochenentwicklung die knorpelige Epiphysenfuge kennengelernt (S. 130). Ähnliche Knochenverbindungen durch Knorpel, Knorpelhaften (Synchondrose1), gibt es im Körper auch sonst, z. B. die Symphyse der Beckenknochen (S. 216) und die Befestigungen der Rippen am Brustbein. Auch einfache Bandhaften (Syndesmose 2) aus kollagenen Fasern können die Knochen zusammenhalten und ihnen an den Grenzen noch Zuwachsmöglichkeiten sichern. Wir

1 2 3 4 5 6

7

8

syn ´ (gr.) – zusammen; chóndros (gr.) – Knorpel. syn ´ (gr.) – zusammen; desmós (gr.) – Band, Bindung. sutúra (lat.) – Naht. syn ´ (gr.) – zusammen; ostéon (gr.) – Knochen. díscus (lat.) – Scheibe. méne (gr.) – Mond; meniskos – Möndchen, Halbmond. maceráre (lat.) – einweichen. Bei der Mazeration des Skeletts werden die Weichteile unter Einfluß von Fäulnisbakterien entfernt. Kunstwort des PARACELSUS (1494-1541) unbekannter Deutung.

finden solche Bandhaften besonders in den Wachstumsfugen oder Nähten (Suturen3) der knöchernen Schädelkapsel. Sie verknöchern später am ausgewachsenen Schädel und werden damit zu Knochenhaften (Synostose4). Bandhaften sind in gewissem Sinne auch die Zwischenwirbelscheiben (s. S. 210), die andererseits bereits als Gelenkverbindungen aufzufassen sind. Echtes Gelenk (Articulatio synovialis). Die eigentlichen Gelenke haben einen Gelenkspalt zwischen den von knorpelhautfreiem Knorpel überzogenen Knochenenden. Der Gelenkspalt ist von Flüssigkeit erfüllt, der Gelenkschmiere (Synovia). An manchen Stellen des Körpers kommen auch zwei Gelenkspalte in einem Gelenk vor. Dabei ist dann das Gelenk durch eine bindegewebige Zwischenscheibe unterteilt. Ist die Zwischenscheibe vollständig wie im Kiefergelenk, dann wird sie als Diskus5 bezeichnet (s. Abb. 8/5, S. 404); eine unvollständige Scheibe, wie sie sich im Kniegelenk findet, heißt Meniskus6 (s. Abb. 3/41, S. 241). Bei der Mazeration7 des Skeletts oder eines Knochens geht der Knorpelüberzug der Gelenkflächen verloren und die erhaltene Gelenkoberfläche entspricht der Verkalkungszone (s. Abb. 2/20, S. 129, und 3/1). Da der Knorpel röntgenologisch durchsichtig ist, sieht man auf Röntgenbildern zwischen den Verkalkungszonen der beiden am Gelenk beteiligten Knochen einen scheinbar weiten Gelenkspalt, der aber in Wirklichkeit so nicht vorhanden ist (s. Abb. 3/32, S. 234, 3/40, S. 242f, und 3/46, S. 246): Im Gelenk liegen die knorpelüberzogenen Skelettenden direkt aufeinander; zwischen ihnen befindet sich nur eine winzige Menge Gelenkschmiere, die von der Gelenkkapsel abgesondert wird. Die Gelenkkapsel ist im wesentlichen die Fortsetzung der Knochenhaut. Sie umhüllt das Gelenk und deckt so den Spalt nach außen ab. Ihre derbe Außenschicht besteht hauptsächlich aus kollagenen Fasergeflechten, zwischen denen sich elastische Netze befinden. Ihre innere Schicht (Membrana synovialis8) ist lockerer gebaut und

204 Bewegungsapparat

Abb. 3/1: Fingergelenk, längs. Die Verkalkungszone ist der schwarze Strich zwischen dem dunkel angefärbten, unverkalkten Hyalinknorpel und dem hellen verkalkten Knorpel und Knochen; in den Knochenhöhlungen weißes Knochenmark = Fettgewebe. Man beachte die von der Gelenkkapsel in den Gelenkspalt vorspringenden Zotten. 15:1.

ragt mit Fortsätzen in den Gelenkspalt hinein, die infolge ihrer Verformbarkeit Inkongruenzen des Gelenks bei verschiedenen Stellungen ausgleichen können. In ihr liegen zahlreiche kleine Blut- und Lymphgefäße sowie Nerven. Sie produziert und resorbiert zugleich fortwährend die Gelenkschmiere (Synovia8) und reguliert somit deren richtige Zusammensetzung und Menge. Die Synovia ist reich an viskösen Substanzen, hauptsächlich an Glykosaminoglykanen, die Gleit- und Schmierfunktion haben. Die Synovia dient aber auch der Versorgung und Entsorgung der Gelenkknorpel, die ja kein Perichondrium haben. Eine vermehrte Produktion von Flüssigkeit in das Gelenk, z. B. bei Entzündungen, wie auch eine verminderte Resorption führen zu Schwellungen. Blutungen in das Gelenk (Bluterguß) können nur langsam wieder resobiert werden; sie können bei gewaltsamen Dehnungen, Verrenkungen, Prellungen und Verstauchungen eintreten. Das durch den Erguß gefüllte Gelenk wird vom Patienten wegen der Schmerzen von selbst in eine Entlastungsstellung gebracht, in welcher die Gelenkkapsel und ihre Bänder am gleichmäßigsten entspannt sind.

3.1.1

Gelenkformen

Man unterscheidet nach der Form und der durch die Form gegebenen Bewegungsmöglichkeiten verschiedene Gelenkarten. Dabei ist bemerkenswert, daß nie geometrisch exakte Formen vorkommen. Die Ungenauigkeit der sich berührenden Oberflächen bedingt bei geringem Gelenkdruck einen nur punktförmigen Kontakt der Gelenkpartner. Steigt der Gelenkdruck, wird die Berührungsfläche infolge der Drucknachgiebigkeit des Hyalinknorpels größer. Beim Scharniergelenk ist die Bewegung nur um eine Achse, die Scharnierachse, möglich (Beispiele: Fingermittel- und Fingerendgelenke; auch das Oberarm-Ellengelenk ist ein Scharniergelenk, doch nicht das ganze Ellenbogengelenk, da dieses noch zwei weitere, anders gebaute Gelenke einschließt; s. S. 231). Ein Scharniergelenk besteht aus einer Auskehlung und einer dazu passenden Walze (Abb. 3/2). Damit sich aber beide Gelenkenden nicht entlang der Gelenkachse verschieben wie beim Walzengelenk (s. u.),

Knochenverbindungen und Gelenke 205

Abb. 3/2: Gelenkformen. Schema. Die Pfeile geben die Grundbewegungsebenen = Freiheitsgrade an. a) Kugelgelenk, b) Ellipsoidgelenk, c) Sattelgelenk, d) einfaches Scharniergelenk, e) gekehltes Scharniergelenk, f) Radgelenk.

sind meist noch Führungsleisten an einem Partner vorhanden, die in Führungsrinnen des anderen Partners laufen. Außerdem liegt an jeder Seite in oder an der Gelenkkapsel ein starkes Band (Seitenband), das die Führung des Gelenks gewährleistet und eine Entfernung der Gelenkenden voneinander (Luxation) verhindert. Die Seitenbänder sind zugleich auch meist die Hemmungsbänder für die Streckung des Gelenks (Abb. 3/42, S. 244), indem sie etwas vor oder hinter der Achse stehen und dadurch bei Beugung etwas lockerer, bei Streckung aber vollkommen straff sind. Ähnlich wie das Scharniergelenk ist das seltene Walzengelenk gebaut, in dem die Bewegung nicht nur um die Achse in einer Scharnierbewegung, sondern auch entlang der Achse als Gleitbewegung möglich ist. Hier sind also weder Führungsleisten noch Seitenbänder vorhanden (Beispiel: das Ring-Stellknorpelgelenk des Kehlkopfes, s. S. 361). Ein zweiachsiges Gelenk ist das Sattelgelenk (Abb. 3/ 2). Typische Sattelgelenke haben die Halswirbel der Vögel; am menschlichen Körper bietet nur das Gelenk zwischen großem Vieleckbein (Os trapezium) der Handwurzel und Mittelhand(Metakarpal)knochen des Daumens ein Beispiel. Ein anderes zweiachsiges Gelenk ist das Eigelenk (Ellipsoidgelenk). Bei ihm liegt ein eiförmiger Gelenkkörper in einer elliptischen Mulde; er kann sich um

seine kurze wie um seine lange Achse bewegen, doch nicht um eine Achse senkrecht zur Unterlage drehen (Beispiel: das Hinterhaupts-Atlasgelenk und das in sich gegliederte Handwurzelgelenk).

Das Kugelgelenk besteht aus einem kugelförmigen Gelenkkopf, der in einer Gelenkpfanne von der Form eines Hohlkugelausschnittes gleitet (Beispiele: Schultergelenk, Fingergrundgelenke und Hüftgelenk). Diese Gelenke haben praktisch unendlich viele Gelenkachsen und dementsprechend eine allseitige Beweglichkeit. Es lassen sich aber drei Hauptbewegungsrichtungen feststellen – man bezeichnet sie daher verallgemeinernd als dreiachsig, sie haben drei Freiheitsgrade.

3.1.2

Zusammenhalt der Gelenke

Nicht allein die Bänder sind es, die den Gelenken ihren Zusammenhalt geben; sie dienen mehr der Gelenkführung und auch der Hemmung des Gelenkausschlags. Bei den Kugelgelenken ist sogar die Gelenkkapsel ringsum weit, wodurch die Bewegungsausschläge nicht behindert sind; in der Mittelstellung des Gelenks ist also kein Bänderhalt vorhanden. Die Gelenke, insbesondere die Kugelgelenke, werden auch

206 Bewegungsapparat

durch die sie umgebenden Muskeln oder deren Sehnen zusammengehalten. Sie kontrahieren sich (isometrisch, s. S. 192) bei jedem Zug am Gelenk, um einer Kontaktlösung der Gelenkhälften entgegenzuwirken. Letztlich ist auch der Luftdruck am Zusammenhalt der Gelenke beteiligt, da Luft aus dem abgeschlossenen Gelenkspalt resorbiert wird. Diese Kraft ist aber nur bei größeren Gelenken wirklich bedeutungsvoll, bei kleineren genügen schon geringe andere Kräfte, um sie zu überwinden.

3.1.3

Gelenkschädigungen

Wird ein Glied – etwa bei einem Unfall – unvorbereitet von einer ziehenden oder scherenden Gewalteinwirkung betroffen, dann kommt es leicht zu einer Ausrenkung (Verrenkung, Luxation), weil die schützende Muskulatur nicht rechtzeitig reflektorisch kontrahiert werden konnte. Dabei reißt dann meist auch die Gelenkkapsel ein, und die angerissenen Gefäße bluten in den Gelenkspalt. Steht jetzt der Gelenkkopf neben der Pfanne, so ist die Muskulatur stark gereizt bzw. kontrahiert und setzt der Wiedereinrenkung (Reposition) einen erheblichen Widerstand entgegen. Deshalb sollte die Einrenkung einer Luxation nur bei vollständig entspannter Muskulatur vorgenommen werden, was am besten mit einer Narkose erreicht wird (s. S. 698). Ist nämlich die ausrenkende und wiedereinrenkende Gewalt größer als die Muskelspannung, dann kommt es eher zu Muskelrissen als zu einer Lösung der Muskelspannung. Bei erster Hilfeleistung muß daher jeder Einrenkungsversuch unterbleiben. Das Gelenk wird vielmehr in seiner momentanen Stellung schonend so stillgelegt, daß sich die das Gelenk bildenden Knochen nicht mehr gegeneinander bewegen können. – Bei einer Verstauchung (Verzerrung, Distorsion) befinden sich die Gelenkteile nicht in Fehlstellung. Es handelt sich dabei um Dehnungen oder Zerreißungen der Gelenkkapsel mit Bluterguß; sogar Sehnen oder Muskeln können mitbetroffen sein. Eine Prellung (Quetschung, Kontusion) entsteht durch Stoß oder Schlag oder durch Aufprallen beim Sturz; dabei kommt es zu Verletzungen, sogar Absprengungen von Teilen des Gelenkknorpels, auch der Zwischenscheiben und Menisken (Knieverletzungen), und die Kapselfalten werden gequetscht. Ähnlich wie bei einer Luxation wird beim Knacken mit den Gelenken – viele Menschen machen das gewohnheitsmäßig mit den Fingergelenken, man kann es aber auch an anderen Gelenken ausführen – durch Zug der Kontakt gelöst, 9

10

11 12 13

mit der Endigung -ósis (eingedeutscht -ose) werden nicht entzündliche, degenerative Erkrankungen bezeichnet. mit der Endigung -itis werden entzündliche Erkrankungen bezeichnet. kysté (gr.) – Blase. gánglion (gr.) – Knoten. chordé (gr.) – Saite, Strang.

was das Geräusch verursacht. Im weiteren Gelenkspalt entsteht dadurch ein Unterdruck, wobei Gasbläschen in der Synovia auftreten. Die Wiederlösung dieser Gasbläschen ist bereits nach 10 bis 30 min. erfolgt; so lange kann das Gelenk nicht wieder zum Knacken gebracht werden. Arthrose. Die Knorpelzellen des hyalinen Gelenkknorpels werden durch immer wieder auftretende (besonders günstig sind rhythmische) Druck- und Scherkräfte angeregt, die elastische Knorpelgrundsubstanz zu erneuern. Die dazu notwendigen Kräfte liegen im Bereich der üblichen Körperbewegungen. Durch dieselben Kräfte werden auch die Kollagenfasern im Knorpel in der erforderlichen Anordnung und Spannung erhalten, d. h. immer wieder erneuert (s. S. 116). Sowohl bei zu geringen wie bei zu intensiven Belastungen reagiert der Knorpel mit Degeneration, was zur Arthrose 9 führt. Zu wenig Bewegung im Tagesablauf, übertriebenes Trimm-dich, vieles Tragen schwerer Lasten oder vieles unbewegliches Stehen ist also schädlich für die Gelenke. Arthritis. Eine Entzündung des Gelenks, eine Arthritis 10, z. B. rheumatischer Genese, geht zunächst von der Synovia aus, kann dann aber im Laufe der Zeit ebenfalls zur Degeneration des Knorpels führen. Überbein. Eine stets mit dem Gelenkspalt in dünner Verbindung stehende zystenartige 11 Degeneration der Gelenkkapsel ist das sogenannte Überbein (Ganglion 12), das am häufigsten im Bereich des Handgelenks auftritt.

3.2 Bewegungsapparat des Rumpfes Die grobe Einteilung des Körpers in Rumpf, Hals, Kopf und Gliedmaßen läßt sich nicht immer streng durchführen. So gehört das Becken in seinem Innenraum dem Rumpf, an den Außenseiten aber den Beinen an. Die Muskulatur der Arme greift auf den Rumpf über, sie ist dorthin sekundär (in der Stammes- und Einzelentwicklung) eingewandert. Der Hals gehört skelettmäßig zum Rumpf, einige Halswirbel sind sogar in den Schädel einbezogen. (s. u.). Dagegen stammen manche Halseingeweide aus dem Kopfgebiet.

3.2.1

Wirbelsäule

Bei den primitiven Chordaten bleibt die Rückensaite (Chorda13 dorsalis) zeitlebens das elastisch biegsame Stützorgan des Körpers. Größere Wirbeltiere brauchen aber ein stabileres Skelett, das zuerst aus Knorpel, dann aus Knochen aufgebaut wird. Soll das Rumpfskelett trotzdem beweglich bleiben, muß es in untereinander verbundene Einzelteile (Segmente) gegliedert sein. Die Einzelabschnitte dieses beweglichen Achsenstabes sind die Wirbelkörper mit den dazwischen liegenden Zwischenwirbelscheiben. Die Wirbelkörper werden embryonal um die Chorda herum angelegt, bauen diese

Bewegungsapparat des Rumpfes 207

Abb. 3/3: Hals-, Brust- und Lendenwirbel von oben. Die Wirbelkörper (K) liegen ventral (unten), die Wirbelbögen (B) entsprechend dorsal. L – Wirbelloch. Die jeweiligen Rippenanteile oder -rudimente sind auf den linken Hälften schraffiert angegeben. Nur beim Halswirbel haben die Querfortsätze Löcher. Am Brustwirbel ist die Drehachse der Rippe durch einen Strich gekennzeichnet. in sich ein und assimilieren sie, dagegen bleiben in den Zwischenwirbelscheiben Chordareste rudimentär erhalten. An jedem Wirbelkörper befinden sich noch mehrere Knochenfortsätze und -spangen, die ihn zum Wirbel vervollständigen (Abb. 3/3). Durch fest mit den Wirbelkörpern verwachsene Spangen, die nach hinten einen Bogen schließen, wird das Rückenmark umschlossen. Nach vorne gehen ebenfalls Spangen ab, die die Eingeweide umschließen. Diese Eingeweidespangen bleiben in der Brustgegend als Rippen beweglich mit den Wirbeln verbunden, an den übrigen Abschnitten bleiben nur Rudimente erhalten, die fest mit den Wirbeln verwachsen. Die Vereinigung der Wirbel und Zwischenwirbelscheiben bildet die Wirbelsäule.

3.2.1.1

ebendort nach oben und unten je ein Gelenkfortsatz (Processus articularis), ab. Jeder Wirbel hat also vier Gelenkfortsätze, links wie rechts einen oberen und unteren; sie bilden zusammen durch die ganze Wirbelsäule eine linke und rechte Gelenkfortsatzsäule. Die Wirbelbögen setzen sich nach hinten in einen unpaaren Dornfortsatz (Processus spinosus15 ) fort, der als hinterster Teil der Wirbelsäule gut durch die Haut tastbar, meist auch als Höcker sichtbar ist. Dadurch wurden die Dornfortsätze namengebend für manche, mit der Wirbelsäule in Beziehung stehende Organe oder Organteile. So heißen z. B. die Rücken-

Grundform des Wirbels

Die schematisierte Form eines Wirbels (Vertebra14) zeigt zunächst einen kurzen zylindrischen Wirbelkörper, Corpus vertebrae, der vor dem Rückenmark liegt. Von ihm geht nach hinten beiderseits der das Wirbelloch umschließende Wirbelbogen, Arcus vertebrae, ab, jederseits mit der Bogenwurzel entspringend. Von oben ist die Bogenwurzel gering, von unten tief eingeschnürt. Jede der Einschnürungen umschließt jeweils mit einer Einschnürung des benachbarten Wirbels zusammen das Zwischenwirbelloch. Hinter der Wurzel geht vom Wirbelbogen seitwärts der Querfortsatz (Processus transversus), 14 15

verwandt mit vértere (lat.) – drehen. procéssus (lat.) – Fortsatz; spína (lat.) – Dorn, Stachel; spinósus und spinális, dornig.

Abb. 3/4: Mittlerer Teil der Brustwirbelsäule mit Rippen und Bändern von vorne.

208 Bewegungsapparat

Abb. 3/5: Zwei Brustwirbel mit Zwischenwirbelscheibe und Gelenkflächen für die Rippen von der Seite. Die Klammer gibt die Ausdehnung des Wirbelkanals an.

Abb. 3/6: Atlas und Axis (gerastert) von oben und seitlich. (Nach BENNINGHOFF.)

marksnerven Spinalnerven, ihre Ganglien Spinalganglien, das Rückenmark Medulla spinalis und eine Rükkenmarkerkrankung ist im Deutschen unter dem Namen spinale Kinderlähmung bekannt.

3.2.1.2

Gliederung der Wirbelsäule und Wirbelformen

Beim Menschen tragen gewöhnlich nur 12 Wirbel bewegliche Rippenpaare; sie heißen Brustwirbel, Vertebrae thoracicae (Abb. 3/3b). Die Rippen haben gelenkige Befestigungsstellen, einmal am Wirbelkörper selbst, zum anderen am Querfortsatz. Mit Ausnahme der ersten und der beiden letzten setzen die Rippen mit ihren Köpfen an zwei Wirbelkörpern an, ganz am Oberrand des zugehörigen und noch am Unterrand des darüberliegenden (Abb. 3/4 und 3/5). Die Dornfortsätze der Brustwirbel sind sehr lang und liegen steil nach abwärts gerichtet übereinander (Abb. 3/5). Die Gelenkfortsätze sind ebenfalls steil, ihre Gelenkflächen stehen nahezu in der Stirnebene (frontal16 ). Dieser Gelenkbau ermöglicht der Brustwirbelsäule Bewegungen in jeder Richtung (Drehen, Seit-, Vor- und Rückwärtsneigen). Das Bewegungsausmaß beträgt zwischen den einzelnen Wirbeln zwar nur we16 17

18

von frons (lat.) – Stirn. nach der griech. Sagengestalt, die die Weltkugel trug. áxis (lat.) – Achse; früher auch Epístropheus, von epistréphein (gr.) – drehen, umwenden.

nige Grade, ergibt aber in der Summe doch einen deutlichen Ausschlag. Oberhalb der Brustwirbel befinden sich (wie bei allen Säugern) sieben Halswirbel, Vertebrae cervicales, mit denen die Rippenrudimente fest verwachsen sind (Abb. 3/3a). Nur in seltenen Fällen kommen beim Menschen am untersten Halswirbel bewegliche Rippen oder Rippenstummel vor, die zu Beschwerden führen können, da sich dort das Nervengeflecht zum Arm befindet. Die Wirbelkörper sind im Halsbereich kleiner als im Brustbereich, das Wirbelloch aber ist größer. Der Dornfortsatz des 7. Halswirbels ist länger als die der übrigen und als oberster Dornfortsatz deutlich unter der Haut zu sehen: „Vertebra prominens = vorspringender Wirbel“. Die Rippenrudimente lagern sich vor die Querfortsätze und umschließen mit diesen ein Loch. Durch die Reihe dieser Rippenquerfortsatzlöcher zieht eine Arterie (A. vertebralis) nach oben in den Gehirnschädelraum, ihr entgegengesetzt läuft die zugehörige Vene. Eine besondere Ausbildung haben die beiden obersten Halswirbel. Der oberste, der Atlas17, hat keinen Dornfortsatz und keinen Körper, sondern vorne und hinten nur eine Knochenspange. Hingegen besitzt der 2. Halswirbel, der Axis 18 (Dreher), eine nach oben ragende Verlängerung des Wirbelkörpers, den Zahn (Dens), mit dem der Atlas gelenkig verbunden ist. Der Zahn bildet die Achse, um die der Atlas sich mitsamt dem daraufsitzenden Kopf drehen kann (Abb. 3/6). Hier findet die Hauptdrehbewegung

Bewegungsapparat des Rumpfes 209

Abb. 3/7: Kreuzbein von vorne, oben und hinten. Unten mit Steißbein.

des Kopfes statt, in den übrigen Halswirbelgelenken ist sie weniger gut möglich. Dagegen ist die Seit- und die Vor- und Rückneigung in den anderen Halswirbelgelenken gut, zwischen Atlas und Axis aber nicht möglich. Die Vor- und Rückneigung des Kopfes wird zudem in großem Umfang auch zwischen Atlas und Hinterhaupt ausgeführt. Auf den zu den Seitenteilen vergrößerten Gelenkforsätzen des Atlas ruhen die Gelenkhöcker (Condylen19) des Hinterhaupts, die sich darauf etwa wie ein Rad drehen können.

Zwischen den Brust- und den zum Kreuzbein verschmolzenen Kreuzwirbeln liegen die Lendenwirbel, Vertebrae lumbales, (Abb. 3/3c). Ihre Querfortsätze sind die Rippenrudimente, während die eigentlichen Querfortsätze nur noch als kleine Höckerchen daran sitzen. Die Dornfortsätze stehen direkt nach hinten. Die Rumpfdrehung ist hier wegen der Stellung der Gelenkfortsätze sehr eingeschränkt. Dagegen sind Seitneigung und besonders Streckung und Beugung gut ausführbar.

Während der frühen Embryonalzeit treten über dem Atlas 2-3 weitere Wirbelanlagen in Erscheinung, die sich nicht zu Wirbeln weiterentwickeln, sondern in das Hinterhauptsbein einbezogen werden.

Die Anzahl der Lendenwirbel beträgt gewöhnlich fünf, es können aber auch sechs oder vier sein. Nicht allzu selten hat der oberste Lendenwirbel eine frei bewegliche Rippe (13. Rippe), die allerdings nie sehr lang ist. Manchmal ist der unterste Lendenwirbel mit dem Kreuzbein ein- oder beidseits verschmolzen (Verminderung der Lendenwirbel), oder es kann ein Kreuzwirbel frei sein (Vermehrung). Die Vermehrung oder Verminderung der Lendenwirbel scheint erblich zu sein (Vermehrung wahrscheinlich rezessiv, Verminderung wahrscheinlich dominant); deshalb wird eine Röntgenuntersuchung der Lendenwirbelsäule von einzelnen Gutachtern zu Vaterschaftsnachweisen mit herangezogen.

19

20

cóndylus (lat.) – Gelenkfortsatz, von kóndylos (gr.) – Fingerknöchel, die geballte Hand, die Faust. sácer (lat.) – heilig, groß. Nach TRIEPEL et al. (1978) ist „os sacrum die Übersetzung von „to hieron ostún“ und wurde von Jacobus Silvius (1478-1555) in die anatomische Fachsprache eingeführt. Hierós hat ursprünglich die Bedeutung von stark, kräftig, erst im übertragenen Sinn bedeutet es heilig ... Die deutsche Bezeichnung „Kreuzbein“ ist ebenfalls auffallend. Im Althochdeutschen heißt es „criuzi“, die Erhöhung, gemeint ist wohl das Promontorium.“ (Promontorium: s. S. 212)

Das Kreuzbein (Os sacrum20 ) ist aus fünf, selten mehr oder weniger Wirbelanlagen samt deren Rippenrudimenten zusammengesetzt. Die Verschmelzung beginnt in der Pubertät und ist

210 Bewegungsapparat

Abb. 3/8: Zwischenwirbelscheibe: a) Faserring mit seinem schichtweise wechselnden schraubigen Faserverlauf; b) Lage des Nucleus pulposus in Normalhaltung.

erst mit dem 25. Lebensjahr vollendet. Bis dahin kann man die einzelnen Wirbel gut trennen. Auch am wachsenden Kreuzbein sehen wir die Grenzen zwischen den Wirbelteilen noch in den nach innen vorspringenden vier Querleisten (Abb. 3/7). Die Querfortsatz- und Rippenanteile verschmelzen zu den massigen Seitenteilen, die die große ohrförmige Gelenkfläche für das jederseitige Hüftbein (s. S. 217) bilden. Die Reihen der Dorn- und Gelenkfortsätze sind zu drei auf der Hinterseite vorragenden Kämmen verschmolzen. Als Verbindungsstraßen von und zum Kreuzbeinkanal – als der Fortsetzung des Wirbelkanals – gibt es Seitenkanäle, deren Öffnung auf der Vorder- und Hinterseite des Kreuzbeins in paariger Anordnung zwischen den Wirbelanteilen liegen. Das Kreuzbein ist nach hinten gekrümmt, seine Beckenfläche also gehöhlt (Abb. 3/16). Am unteren Ende des Kreuzbeines befindet sich, gelenkig mit ihm verbunden, noch das aus 3-5 Wirbelkörperrudimenten zusammengesetzte Steißbein (Os coccygis21, Abb. 3/7). Es ist der beim Menschen rudimentäre Schwanz, dessen letzte Wirbelchen auch knorpelig bleiben können. Im vierten Lebensjahrzehnt verknöchert meist auch die KreuzSteißbeinverbindung, was dann bei Frauen zu Geburtsschwierigkeiten führen kann, während sonst das Steißbein ausweicht. Bei Frauen, die vorher geboren haben, tritt die Verknöcherung erheblich später ein. Von den viel zahlreicheren Schwanzwirbelanlagen bleiben nur wenige kümmerliche Reste als Steißbein erhalten. Nur in seltenen Fällen kann als Mißbildung

21

22

cóccyx (lat. u. gr.) – Kuckuck; weil entweder das Steißbein einem Kuckucksschnabel ähnlich ist oder weil es vom Kuckuck (= Teufel) in den Körper gesetzt sein soll. núcleus (lat.) – Kern; pulpósus (lat.) – aus weicher Substanz bestehend, von púlpe (lat.) – Mark, Mus.

ein weicher, bindegewebiger Schwanz vorkommen. In der Norm liegen über dem aus fünf Wirbeln zusammengesetzten Kreuzbein vierundzwanzig Wirbel, nämlich fünf Lenden-, zwölf Brust- und sieben Halswirbel.

3.2.1.3

Gelenkverbindungen der Wirbelsäule

Der Zusammenschluß der Wirbel zur Wirbelsäule (Columna vertebralis) geschieht jeweils über drei Verbindungen, nämlich über die Wirbelkörperreihe und die beiden paarigen Gelenkfortsatzreihen. Diese bilden die kleinen Wirbelgelenke, deren Flächen kaum gewölbt sind, so daß man von Flächengleitgelenken sprechen kann. Ihre Gelenkkapsel ist sehr locker. Zwischen den Wirbelkörpern liegen die Zwischenwirbelscheiben, Disci intervertebrales, die jeweils etwa ein Drittel so hoch sind wie der benachbarte Wirbel. In ihnen liegt zentral der aus der Chorda dorsalis (s. S. 121 u. 206) umgebildete Nucleus pulposus 22 als linsenförmiges, druckresistentes „Wasserkissen“. Er wird von starken kollagenen Fasermassen umschlossen, weshalb die Zwischenwirbelscheiben auch als Bandscheiben bezeichnet werden. Zwischen den Fasermassen liegen teilweise statt der Fibrocyten Knorpelzellen; es handelt sich also um Faserknorpel (s. S. 125). Die Zwischenwirbelscheiben und ihre Fasern verbinden die beiden anliegenden Wirbelkörper miteinander. Die Fasern verlaufen nicht senkrecht von Wirbel zu Wirbel, was eine Beweglichkeit dieser gegeneinander ausschließen würde; sie sind vielmehr schichtweise wechselnd in flachen schraubenförmigen Windungen eingebaut. Bei Druckbelastung der Wirbelsäule werden die Fasersysteme auf Zug belastet. Auch ermöglicht dieser Bau die Beweglichkeit der Wirbelkörper gegeneinander bei Drehung und Neigung. Insgesamt übertragen die Zwischenwirbelscheiben federnd Druck und Zug (Abb. 3/8).

Bewegungsapparat des Rumpfes 211

Abb. 3/9: Bänder der oberen Halswirbelsäule. a – Hinterhauptsvorsprung, b – gelbe Bänder, c – Nackenband, d – Zwischendornfortsatzbänder, e – Atlas, f – Axis, g – Zwischenwirbelscheibe, h – vorderes Längsband, i – Zwischenwirbelloch, k – hinteres Längsband, l – 4. Halswirbel.

Bei jeder Bewegung der Wirbelsäule wird der Nucleus pulposus etwas verschoben. Bei starker Schädigung der Bandmassen kann er sogar aus der Bandscheibe herausgepreßt werden (sog. Bandscheibenvorfall). Der auf der Bandscheibe lastende Druck ist je nach Ort der Wirbelsäule und nach Lage und Stellung des Menschen verschieden. In vollkommener Entspannung bei Rücken- oder Bauchlage ist der Druck auf sämtlichen Bandscheiben minimal und beruht neben dem geringen Binnendruck der Nuclei pulposi vor allem auf dem Tonus der Muskulatur. Schon bei Seitenlage ist der Druck auf den Bandscheiben der Lendenwirbelsäule durch deren geringe Krümmung und den stärkeren Muskeltonus doppelt so groß. Beim Stehen in aufrechter Stellung ist er viermal, beim Sitzen sogar achtmal so groß. Durch den Druck des stehenden Körpers tritt im Laufe des Tages Flüssigkeitsminderung in den Zwischenwirbelscheiben ein; dadurch und durch Abnahme des Flüssigkeitsgehaltes in den sonstigen strapazierten Gelenken wird der Mensch etwas kleiner. Während der Nachtruhe „füllen“ sich die

Bandscheiben wieder. Der Größenunterschied zwischen morgens und abends kann einen oder wenige Zentimeter betragen. Der Flüssigkeitsverlust im Greisenalter, zusammen mit meist verstärkter Krümmung der Wirbelsäule durch Nachlassen des Muskeltonus, verursacht das Kleinerwerden alter Leute. Bandverbindungen. Außer durch die Zwischenwirbelscheiben und die Gelenkfortsätze sind die Wirbel auch noch durch Bänder miteinander verbunden (Abb. 3/ 9). Die Säule der Wirbelkörper ist vorne und hinten von je einem Längsband überzogen; das hintere liegt also an der Vorderwand des Wirbelkanals. Zwischen den Bögen sind elastische Bänder ausgespannt, die der Wirbelsäule einen gewissen Halt zu geben vermögen, ohne daß dafür Muskelkraft angewandt werden muß; sie unterstützen auch durch ihre Elastizität die Muskulatur bei der Rumpfaufrichtung. Wegen der Eigenfarbe der elastischen Fasern (s. S. 121) heißen sie gelbe Bänder, Ligamenta flava. Zwischen den Dornfortsätzen verlaufen Bänder, deren Fasern so angeordnet sind, daß sie das Auseinanderspreizen der Dornfort-

212 Bewegungsapparat

Abb. 3/10: Form der menschlichen Wirbelsäule. Links im Vergleich mit derjenigen eines Vierbeiners, der sich aus der Horizontalen in die Vertikale aufgerichtet hat. Die beiden Pfeile markieren die Umschlagspunkte der Krümmungen und damit die Grenzen der Lendenwirbelsäule.

sätze beim Rumpfvorwärtsbeugen nicht behindern; trotzdem sind die Fasern auch bei rückgebeugtem Rumpf oder Hals nie ganz locker. Hinter den Dornfortsätzen der Halswirbelsäule liegt noch in der Mittellinie ein Nackenband, ausgespannt zwischen dem letzten Halswirbel und dem Hinterhaupt. Es dient den am Nacken oberflächennah gelegenen Muskeln zur Befestigung.

3.2.1.4

Form der Wirbelsäule

Wegen der aufrechten Haltung des Menschen, bei der der Rumpf meist senkrecht gehalten wird, müssen die Lendenwirbel die meiste Last tragen, die Halswirbel nur noch wenig. Daher nehmen von unten nach oben die Wirbel an Höhe und Umfang ab; die den Wirbelkanal bildenden Wirbellöcher bleiben aber nahezu gleich groß (Abb. 3/3). Während bei den auf allen Vieren gehenden Säugern (den Quadrupeden23) die ganze Rumpfwirbelsäule einheitlich nach rückwärts gekrümmt und nur die des Halses gegenteilig gebogen ist (Abb. 3/10), bekommt sie beim 23 24 25 26

quattro (lat.) – vier; pes (lat) – Fuß, Tatze. von lordóein (gr.) – nach vorwärts krümmen. Vorsprung; von prominére (lat.) – vorragen. von kyphós (gr.) – gebückt, krumm.

Menschen entsprechend der aufrechten Haltung im Laufe der ersten Lebensjahre eine charakteristische Eigenform. Das nach vorne konkave Kreuzbein wird durch die Hüftgelenke an einer völligen Aufrichtung gehindert; als Ausgleich ist die Lendenwirbelsäule zurückgebogen und somit nach hinten konkav: Lendenlordose24. Am Übergang von Kreuzbein zur Lendenwirbelsäule kommt so ein besonders scharfer Knick zustande, der in das Becken hinein vorspringt (Promontorium 25); die dortige Bandscheibe ist keilförmig. Die Brust und Halswirbelsäule haben dieselbe Krümmung wie bei den Tieren, indem die Brustwirbelsäule wieder nach hinten konvex (Brustkyphose26) und die Halswirbelsäule nach hinten konkav gekrümmt ist (Halslordose). So ist die Eigenform der menschlichen Wirbelsäule ein doppeltes S, das um die Schwerpunktlinie hin und herschwingt (Abb. 3/10). Im allgemeinen können diese natürlichen Krümmungen bewegungsmäßig erheblich verstärkt werden, doch kann die Rückwärtskrümmung der Brustwirbelsäule eben nur bis zur Geraden ausgeführt werden (Abb. 3/11). Die Lendenwirbelsäule kann in der Kindheit nach vorne gekrümmt (kyphosiert) werden; diese Möglichkeit geht ohne Übung spätestens im 3. Lebensjahrzehnt verloren (vgl. S. 244). Die Halswirbelsäule kann von

Bewegungsapparat des Rumpfes 213

Abb. 3/11: Extreme Vor- und Rückbeugung der Wirbelsäule bei feststehendem Becken. (Nach H. VIRCHOW.)

allen Gesunden deutlich nach vorne eingekrümmt werden. Beugebewegungen (z. B. Seitwärts- oder Vorwärtsbeugen des gesamten Körpers) werden in der Regel durch koordinierte Bewegungen anderer Gelenke (z. B. des Hüftgelenks oder der Fußgelenke) vervollständigt. Bei keinem Individuum sind rechte und linke Körperhälfte spiegelbildlich gleich. Wegen der immer etwas verschieden langen Beine, die um Zentimeter differieren können, kommen auch stets geringe Seitneigungen der Wirbelsäule vor. Stärkere Seitkrümmungen sind aber krankhaft (Skoliose27); sie entstehen häufig durch gewohnheitsmäßige Haltungsfehler und sollen durch richtiges Sitzen bei der Arbeit und durch Sport und Gymnastik verhütet werden. (Über die Rumpfhaltung s. S. 218.)

3.2.2

Brustkorb

Jeder der 12 Brustwirbel trägt, wie schon erwähnt, ein Paar bewegliche Rippen (Costae), die mit der Wirbelsäule und dem Brustbein zusammen den Brustkorb (Thorax) bilden. Die einzelne Rippe trägt an ihrem Gelenkende die Gelenkflächen für die beiden Wirbelkörper, denen sie anliegt, außerdem in geringem Abstand davon ein nach hinten gerichtetes Höckerchen, das die Gelenkfläche für den Querfortsatz des zugehörigen (unteren) Wirbels trägt. Somit ist die Rippe an zwei Punkten mit der Wirbelsäule 27

skoliós (gr.) – gebogen.

Abb. 3/12: Veränderung des Brustquerschnittes bei der Atmung (s. S. 374). In der Ausatmungsstellung sind die Rippen gesenkt (ausgezogene Linien), die Rippenknorpel steigen steil zum Brustbein an. In der Einatmungsstellung sind die Rippen gehoben (gestrichelte Linien) und die Rippenknorpel aufgebogen. Die Pfeile geben die Achsen der Rippenbewegungen an. Hinter der Wirbelsäule ist der lange Rückenstrecker (Musculus erector spinae) im Querschnitt dargestellt.

gelenkig verbunden (Abb. 3/3 und 3/12). Eine Bewegung ist nur um die Achse möglich, die durch diese beiden Gelenke geht; es handelt sich also um ein Scharniergelenk. Da nun dieser Anfangsteil der Rippe von der Wirbelsäule aus

214 Bewegungsapparat

Abb. 3/13: Brustkorb in Ausatmungs- (links oben) und Einatmungsstellung (rechts oben) von der Seite. An den Umrissen sollen die Veränderungen der Durchmesser gezeigt werden. Unten ist das Verhalten der äußeren Zwischenrippenmuskulatur dargestellt: Sie ist entspannt in Ausatmungsstellung (links) und kontrahiert sich beim Einatmen (rechts), wobei die Rippen angehoben werden.

nach hinten außen abwärts weggeht und die Rippe dann in weitem Bogen nach vorne abwärts und einwärts verläuft, kommt durch die Bewegung um die genannte Achse bei der Aufdrehung (Hebung) eine Erweiterung des umfaßten Raumes in transversaler 28 und zugleich sagittaler 29 Richtung zustande (Abb. 3/13). Bei der Abwärtsdrehung verengert sich der umfaßte Raum in den beiden genannten Richtungen. Wenn alle Rippen gleichzeitig bewegt werden, 28 29

transversális (lat.) – quer. sagittális (lat.) – von vorne nach hinten; von sagítta, Pfeil.

erfolgt eine Hebung des Brustkorbes mit gleichzeitiger Erweiterung bzw. eine Senkung mit gleichzeitiger Verengerung; das sind die Atembewegungen des Brustkorbs (Abb. 3/12). Die vorderen Enden der Rippen verknöchern nicht, sondern bleiben mehrere Zentimeter lang knorpelig. Dieser knorpelige Anteil der Rippen ist für die Atembewegung notwendig; die Verschiebungen der knöchernen Rippen gegenüber dem Brustbein werden durch die biegsamen, wenn auch nicht dehnbaren, hyalinen Rippenknorpel ermöglicht.

Bewegungsapparat des Rumpfes 215 Nach ihrer Beziehung zum Brustbein unterscheidet man drei Rippenarten. Die obersten sieben Rippenpaare, die mit ihren Knorpeln direkt an das Brustbein gehen, werden als wahre oder echte Rippen (Costae verae30) bezeichnet (Brustbeinrippen). Die unteren fünf Rippenpaare gehen nicht direkt an das Brustbein und heißen deswegen falsche Rippen31 (Costae spuriae32). Von diesen aber legen sich die Knorpel der 8., 9. und 10. Rippe jeweils an den Knorpel der vorhergehenden an, wobei sie den weit nach unten geschwungenen Rippenbogen bilden (Bogenrippen). Die beiden letzten Rippen dagegen liegen mit ihren kurzen Knorpelenden frei in der Bauchwandung (freie Rippen, Costae fluctuantes33).

Das Brustbein (Sternum) ist ein platter Knochen, der aus drei Abschnitten besteht, dem Handgriff oben, dem Körper und dem unten anhängenden kleinen Schwertfortsatz, der erst im Alter verknöchert (Abb. 3/19). Es bildet sich in der Embryonalzeit aus verschiedenen, paarigen einzelnen Knochenkernen, die im Laufe der Entwicklung miteinander verschmelzen. Gewöhnlich ist nur am Ansatz des zweiten Rippenknorpels ein Gelenk mit Gelenkspalt ausgebildet; die Knorpel der übrigen Rippen sind mit dem Brustbein verwachsen. Der Schwertfortsatz hat keine Beziehungen zu den Rippen. Form des Brustkorbes. Während beim vierfüßig laufenden Tier der Brustkorb an der horizontalen Wirbelsäule nach abwärts hängt und dadurch die Rippen etwa rechtwinklig zur Wirbelsäule liegen, sind sie durch die aufrechte Haltung des Menschen vorne beckenwärts gesenkt, was sich allerdings erst im Laufe der Jugend ausbildet. Der Brustkorb des Menschen (und der Menschenaffen) ist im Gegensatz zu den übrigen Säugern von vorne nach hinten abgeplattet und breit, wobei die Rippen seitlich der Wirbelsäule weit nach hinten ausholen. 30 31

32 33

34 35 36 37

cósta (lat.) – Rippe; vérus (lat.) – wahr. Der deutsche Ausdruck falsche und echte Rippen ist nicht korrekt, denn echt sind sie alle; besser wären die oben angeführten Bezeichnungen Brustbein-, Bogen- und freie Rippen. spúrius (lat.) – falsch, untergeschoben. flúctuare (lat.) – Wellen schlagen, wellenförmig bewegen, schwanken. cóxa (lat.) – Hüfte. ilé (lat.) – Weiche, meist als Plural ilia vorkommend. íschium (lat.) – das den Sitzenden trägt. púbes (lat.) – Scham, Schamgegend, auch Schamhaare.

(Abb. 3/12). Im ganzen hat der Brustkorb eine von hinten durch die Wirbelsäule eingedellte Kegelform (Abb. 3/22) mit einer oberen kleinen Öffnung (obere Thoraxapertur) zum Halsraum und einer unteren großen Öffnung (untere Thoraxapertur) zum Bauchraum (Abb. 3/13). Durch die Bandverbindungen der Wirbelrippengelenke und die Knorpelverbindungen der Rippen zum Brustbein hat der Brustkorb eine Art Gleichgewichtslage (Entlastungsstellung), in die er nach einer Bewegung von selbst wieder zurückgeht. Natürlich spielt dabei auch die Spannung der Muskulatur eine Rolle, und nicht zuletzt der Unterdruck im Brustraum (s. S. 372). Daß der Brustkorb aus den Extremlagen der Ein- und Ausatmungsstellung von selbst wieder in seine Mittellage zurückgeht, macht man sich bei einigen Arten der künstlichen Beatmung (in der Lebensrettung) zunutze. Durch Druck auf den Brustkorb wird eine Ausatmung erzwungen; läßt man den Druck nach, so atmet der Brustkorb selbsttätig ein. Man kann außerdem durch Anheben eines oder beider Arme über den großen Brustmuskel (s. S. 231) den Brustkorb anheben, was der Einatmung entspricht; dann geht der Brustkorb beim Zurückbewegen der Arme entsprechend seiner Elastizität von selbst wieder zurück. (Die Atembewegungen werden ausführlicher bei der Atmung [s. S. 373ff] behandelt.)

3.2.3 3.2.3.1

Becken Beckenknochen

Das Becken (Pelvis) setzt sich beim Erwachsenen aus dem Kreuzbein und den beiden Hüftbeinen (Ossa coxae34) zusammen, die gelenkig miteinander verbunden sind. Jedes der Hüftbeine entsteht während der Entwicklung im wesentlichen aus 3 Verknöcherungsteilen, dem Darmbein (Os ilium35), dem Sitzbein (Os ischii36) und dem Schambein (Os pubis37). An ihrer Yförmigen Nahtstelle (Abb. 3/14) bilden sie nach außen die Gelenkpfanne (Acetabulum 38) für den Oberschenkelkopf. Die 3 Teile beginnen schon in der Kindheit zum Hüftbein zu verschmelzen, der Knochen ist aber erst von der Pubertät an ein einheitliches Skelettelement. Jedes Hüftbein stellt eine „Rahmenkonstruktion“ dar, bei welcher die Rahmen jeweils einer verbogenen 8 gleichen (Abb. 3/14), an deren Kreuzungsstelle der statisch wichtige Punkt der Hüftgelenkspfanne liegt. Die beiden sich überkreuzenden Schenkel der 8 fangen den Druck

216 Bewegungsapparat

Abb. 3/14: Rechtes Hüftbein von außen. a – Darmbeinkamm, b – vorderer Darmbeinstachel, c – hinterer Darmbeinstachel, d – Sitzbeinstachel, e – Sitzbeinknorren, f – Gegend der Schamfuge, g – Hüftgelenkspfanne. Die Linien auf die Mitte der Hüftgelenkspfanne zu stellen die Grenzen der drei Knochenanteile dar. Die Nebenfigur zeigt die Verstärkungszüge des Hüftbeins (Rahmenkonstruktion), die sich in der Gelenkpfanne kreuzen und die die Linien des stärksten Druck- und Zugverlaufes (Pfeile) aufnehmen.

des Rumpfes auf das Hüftbein und den Oberschenkel im Stehen und beim Sitzen auf. Der obere, im wesentlichen vom Darmbein gebildete Rahmen ist von einer nur dünnen Knochenplatte ausgefüllt, die sogar so dünn sein kann, daß sie durchscheinend oder gar löcherig ist; das ist die Darmbeinschaufel. Ihr Oberrand hat eine wulstartige Verdickung zum Ursprung und Ansatz der platten Bauchmuskeln. Dieser Darmbeinkamm endet vorne und hinten in einem Vorsprung, den beiden Darmbeinstacheln. Der vordere obere Darmbeinstachel, Spina iliaca anterior superior, ist gut durch die Haut zu fühlen oder zu sehen: er ist dem Arzt wichtig zur Orientierung über die Lage einiger Bauchorgane; so liegt z. B. etwas einwärts vom rechten Darmbeinstachel in der Tiefe der Blinddarm (s. 39 40

obturátus (lat.) – verstopft. sym-phyein ´ (gr.) – zusammenwachsen; sym-physis, ´ die Verwachsung.

S. 439). Der untere, vom Scham- und Sitzbein gebildete Umfang des Rahmens ist nie knöchern ausgefüllt, sondern die Knochenschenkel umspannen ein großes, von einer Bindegewebsplatte mit innen und außen anliegenden Muskeln verschlossenes Fenster, Foramen obturatum39 genannt. Der untere Winkel des Sitzbeins ist zum Sitzknorren verdickt. 3.2.3.2

Gelenkverbindungen

Die beiden Schambeine sind mittels einer Faserknorpelplatte in der Symphyse40 verbunden. Die Anfügung der Hüftbeine an das Kreuzbein ist bei fast allen Tieren knöchern und unbeweglich, beim Menschen jedoch gelenkig. Das Kreuzbein liegt nicht wie der Schlußstein eines Gewölbes zwischen den Darmbeinen, sondern erscheint von unten hereingesetzt (Abb. 3/15). Daher sind starke Bandmassen für den Zusammenhalt erforderlich. Durch sie ist die Bewegung zwar fast völlig gehemmt, trotzdem kön-

Bewegungsapparat des Rumpfes 217

männlichen) inneren Geschlechtsorgane. Das große Becken ist dagegen Teil des Bauchraums. Die Kante der Linea terminalis bestimmt zusammen mit dem Promontorium die „Beckeneingangsebene“, die geburtshilflich eine große Rolle spielt. Durch sie muß das Kind während der Geburt in das kleine Bekken eintreten, um anschließend zwischen Symphyse und Steißbein auszutreten. Die Beckeneingangsebene ist bei den Geschlechtern verschieden geformt: beim Mann ist sie „herzförmig“, weil die Wirbelsäule weit vorspringt; bei der Frau ist sie queroval, die Wirbelsäule springt kaum in das Becken vor (Abb. 3/17).

Abb. 3/15: Vergleich eines architektonischen Schlußsteines (a) mit der Einfügung des Kreuzbeins in das Becken: Um nicht bei Belastung herausgedrückt zu werden, muß das Kreuzbein durch starke Bänder gehalten werden. b – Gelenkpfanne des Oberschenkelknochens, c – Schoßfuge (Symphyse).

Jede Verengung der Beckeneingangsebene, etwa durch Fehlentwicklungen oder Erkrankungen wie z. B. Rachitis, erschwert die Geburt erheblich oder macht sie sogar unmöglich. Zur Erkundung, ob der Geburtsweg ausreichend weit ist, können Arzt oder Hebamme äußere und auch innere Beckenmaße abnehmen, z. B. die Abstände der Darmbeinkämme, der Darmbeinstacheln, der Oberschenkelrollhügel jeweils beider Seiten oder der Symphyse vom Kreuzbein.

nen beim Gehen geringe Bewegungen stattfinden, die bei einer Gelenkstörung heftige Kreuzschmerzen auslösen. Der Druck des aufrechten Rumpfes auf den Oberteil des Kreuzbeins bewirkt außerdem eine Kippungsneigung dieses Knochens (Abb. 3/16), die aber durch die starken, vom Sitzbeinknorren und Sitzbeinstachel zum Kreuz- und Steißbein ziehenden Bänder aufgefangen wird. 3.2.3.3

Beckeninnenraum

Der vom hinteren Darmbeinstachel zur Symphyse verlaufende Rahmenschenkel des Hüftbeins springt nach innen in das Becken als Kante (Linea terminalis41) vor und trennt das Becken zusammen mit dem Knick zwischen Lendenwirbelsäule und Kreuzbein (Promontorium) in das darüber gelegene große und das darunter gelegene kleine Becken. Im kleinen Becken befinden sich die Beckenorgane der Eingeweide, also Blase, Mastdarm und die (weiblichen bzw.

41

linea (lat.) – Linie; terminalis (lat.) – die Grenze bezeichnen; hier: Grenzlinie.

Abb. 3/16: Kreuzbeinbewegung und -verankerung. a – Lenden-Kreuzbeinknick mit Promontorium, b – Schoßfuge, c – großes Sitzbeinloch, d – Sitzbeinstachel-Kreuzbeinband, e – Sitzbeinstachel, f – kleines Sitzbeinloch, g – Sitzbeinknorren-Kreuzbeinband, h – Sitzbeinknorren, i – Membran des verstopften Loches (Foramen obturatum).

218 Bewegungsapparat

Abb. 3/17: Vergleich zwischen männlichem und weiblichem erwachsenem Becken.

Alle diese Entfernungen sind bei der Frau größer als beim Mann, weshalb sie unter anderem deutlicher ausladende Hüften hat. Die Darmbeinschaufeln stehen beim Mann steiler, und der Winkel zwischen den Schambeinästen unter der Symphyse ist spitz gegenüber nahezu einem rechten bei der Frau (Abb. 3/17).

3.2.4

Rumpfmuskulatur

Die die Skeletteile verbindende, sie vielfach bedeckende und selbst von Faszien umhüllte Muskulatur (Farbtafel 3 u. 4) wird oberflächlich von der Haut mit ihrem Unterhautgewebe überkleidet. Am Rumpf befindet sich aber nicht nur die eigentliche (autochthone42) Rumpfmuskulatur, sondern Brust und Rücken werden zudem von den Muskeln des Schultergürtels und von Armmuskeln besetzt, die während der Stammes- wie auch der Individualentwicklung ihre Ursprünge auf den Rumpf ausgedehnt haben (eingewanderte = allochthone43 Muskulatur). Sie gewannen dadurch eine größere Ausdehnung und können so auch auf Bewegung und Haltung des Rumpfes einwirken; sie haben aber ihre größte Bedeutung für die obere Extremität und werden daher im Zusammenhang mit dieser besprochen werden. Wie das Skelett, so wird auch die Muskulatur des Rumpfes in einzelnen Segmenten angelegt. Allerdings bleiben die Segmente vielfach nicht erhalten, sondern verschmelzen größtenteils mit Nachbarsegmenten zu größeren Muskelindividuen.

42

43

autós gr.) – selbst, eigen; autochthon (gr.) – aus dem Lande selbst, hier: an Ort und Stelle entstehend. allós (gr.) – anders; allochthon (gr.) – an anderem Ort gebildet.

3.2.4.1

Rückenstreckmuskulatur

In den Rinnen, die hinter der Wirbelsäule zwischen der Dornfortsatzreihe und den Rippenwinkeln beiderseits liegen, erstreckt sich vom Kreuzbein bis zum Kopf der große Komplex des M. erector spinae, des Rückenstreckers (Abb. 3/12). Er ist in viele Einzelzüge aufgegliedert, die die Dornfortsätze wie die Querfortsätze untereinander und wechselseitig verbinden; die oberflächlich gelegenen, besonders langen Züge erfassen auch die wirbelsäulennahen Teile der Rippen. Durch diese mannigfachen Richtungen seiner Einzelzüge kann der Muskel die Drehung und Seitneigung der Wirbelsäule bewirken. Seine Haupttätigkeit ist aber das Aufrichten des Rumpfes und dessen Aufrechthaltung in jeder Stellung. Daß er auch bei der Vorwärtsneigung beansprucht wird, wurde schon früher erwähnt (S. 201). Unten befestigt sich der Rückenstrekker am Kreuzbein und hinteren Teil des Hüftbeinkammes, oben geht er auch an das Hinterhaupt; dort sind einige klar abgrenzbare Sondermuskeln ausgebildet, die die Haltung, Drehung und Neigung des Kopfes ermöglichen. Der Rückenstrecker ist beim Menschen in der Lendengegend am stärksten entwickelt, in der Brustgegend nur schwach, aber am Halse wieder stärker; hier verursacht er auch die Nackenwülste. In der Lenden- und der Halsgegend können durch ungeschickte ruckartige Bewegung Muskelkrämpfe mit Kontrakturen ausgelöst werden (Hexenschuß, steifer Hals oder manche „rheumatische“ Störungen), wobei jede Bewegung schmerzt. Bei Vierbeinern ist der Rückenstrecker auch in der Rumpfmitte stark; er ist vom Wildbret als Ziemer, vom Schwein als Rippenstück oder Kotelett bekannt.

Bewegungsapparat des Rumpfes 219

Mimische Muskeln: 1 – Stirnmuskel (Musculus frontalis) und 2 – Hinterhauptsmuskel (M. occipitalis) bilden gemeinsam den M. occipitofrontalis und bewegen die zwischen ihnen gelegene Kopfschwarte (Galea aponeurotica); 3 – Ohrmuskeln (Mm. auriculares); 4 – Ringmuskel (Schließmuskel) des Auges (M. orbicularis oculi); 5 – Oberlippenheber (M. levator labii superioris); 6-7 „Lachmuskeln“: 6 – Jochbeinmuskeln (Mm. zygomatici) und 7 – Lachmuskel (M. risorius); 8 – Ring- = Schließmuskel des Mundes (M. orbicularis oris); 9 – Herabzieher des Mundwinkels (M. depressor anguli oris); 10 – Herabzieher der Unterlippe (M. depressor labii inferioris); 11 – Kinnmuskel (M. mentalis, verursacht das „Kinngrübchen“ und stülpt die Unterlippe vor); 12 – Breiter Halsmuskel (Platysma, Rest der ehemals weit ausgedehnten Hautmuskulatur; rechtsseitig abgetragen). Kaumuskeln: 13 – Schläfenmuskel (M. temporalis); 14 – Kaumuskel (M. masseter). Weitere Kaumuskeln sind verdeckt. Hals- und Rumpfmuskeln: 15 – Kopfnicker (M. sternocleidomastoideus, unter dem Platysma (12) gelegen; 16 – untere Zungenbeinmuskulatur (infrahyale Muskeln, z. B. Schulterblatt-Zungenbeinmuskel = M. omohyoideus und Sternum-Zungenbeinmuskel = M. sternohyoideus); 17 – Kapuzenmuskel (M. trapezius); 18 – Pflastermuskel (M. splenius, weitgehend verdeckt); 19 – Großer Brustmuskel (M. pectoralis major); 20 – Vorderer Sägemuskel (M. serratus anterior); 21 – Äußerer schräger Bauchmuskel (M. obliquus externus abdominis); 22 – Gerader Bauchmuskel (M. rectus abdominis, gelegen in seiner aponeurotischen Sehnenscheide; die „Rektusscheide" ist links geschlossen, rechts eröffnet dargestellt); 23 – Breiter Rückenmuskel (M. latissimus dorsi). Schulter- und Armmuskeln: Hierzu auch die Muskeln 17, 19, 20 und 23. 24 – Deltamuskel (M. deltoideus); 25 – Untergrätenmuskel (M. infraspinatus); 26 – Rautenmuskel (M. rhomboideus); 27 – Großer Rundmuskel (M. teres major); 28 – Zweiköpfiger Armmuskel (M. biceps brachii, mit medialem kurzem Kopf und lateralem langem Kopf); 29 – Dreiköpfiger Armmuskel (M. triceps brachii mit lateralem, langem sowie medialem Kopf); 30 – Innerer Armbeuger (M. brachialis); 31 – Arm-Speichen-Muskel (M. brachioradialis); 32 – Einwärtsdreher des Unterarms bzw. der Hand (M. pronator teres). Hand- und Fingerstrecker (Extensoren): Handstrecker auf der Speichenseite: 33 – (M. extensor carpi radialis longus und 34 – M. extensor carpi radialis brevis); 35 – Ellbogenmuskel (M. anconeus); 36 – Handstrecker auf der Ellenseite (M. extensor carpi ulnaris); 37 – Strecker der Finger 2-4 (M. extensor digitorum); 38 – Strecker des Kleinfingers (M. extensor digiti minimi); 39 – Abzieher des Daumens (M. abductor pollicis longus und brevis); 40 – Strecker des Daumens (M. extensor pollicis longus und brevis). 41 – Zwischenknochenmuskel I (M. interosseus I). Hand- und Fingerbeuger (Flexoren): 42 – Handwurzelbeuger auf der Speichenseite (M. flexor carpi radialis); 43 – Handwurzelbeuger auf der Ellenseite (M. flexor carpi ulnaris); 44 – Spannmuskel der Handflächensehne (Palmaraponeurose, diese ist teilweise abgeschnitten; M. palmaris longus); 45 – Großenteils verdeckt liegende Fingerbeugemuskeln, Mm. flexores digitorum (superficialis und profundus); 46 – Langer Daumenbeuger (M. flexor pollicis longus). Kurze Finger- und Daumenmuskeln: 47 – Kleiner Abzieher des Daumens (A. abductor pollicis brevis); 48 – Kleiner Beuger des Daumens (M. flexor pollicis brevis); 49 – Anzieher des Daumens (M. adductor pollicis); 50 – Abzieher und Beuger des Kleinfingers (M. abductor digiti minimi und M. flexor digiti minimi). Hüft- und Beinmuskeln: 51 – Großer Gesäßmuskel (M. glutaeus maximus), 52 – Mittlerer Gesäßmuskel (M. glutaeus intermedius, dieser verdeckt den M. glutaeus minimus); 53 – Spanner der Oberschenkelfascie (M. tensor fasciae latae; er spannt speziell den durch Schnitt dargestellten Tractus iliotibialis, s. Pfeil); 54 – Schneidermuskel (M. sartorius); 55 – drei Anteile des Vierköpfigen Oberschenkelmuskels (M. quadriceps femoris mit M. vastus lateralis, M. rectus femoris und M. vastus medialis; der M. vastus intermedius ist durch den M. rectus femoris verdeckt); 56 – Hüftlendenmuskel (M. iliopsoas, größtenteils verdeckt); 57-60 Anzieher des Oberschenkels (Adductoren): 57 – Kammuskel (M. pectineus), 58 – Kurzer Adductor (M. adductor brevis, größtenteils verdeckt); 59 – Langer Adductor (M. adductor longus); der 60 – Große Adductor (M. adductor magnus) ist größtenteils verdeckt; 61 – Schlanker Muskel (M. gracilis); 62-64 Sitzbein-Unterschenkel-Muskeln (ischiocrurale Muskeln): 62 – Halbsehniger Muskel (M. semitendinosus); 63 – Halbhäutiger Muskel (M. semimembranosus); 64 – Zweifköpfiger Oberschenkelmuskel (M. biceps femoris, mit langem Kopf vom Sitzbein, mit kurzem Kopf vom Femur entspringend); 65 – Kniekehlenmuskel (M. popliteus); 66-67 = Dreiköpfiger Wadenmuskel (M. triceps surae), gebildet von den 66 – Zwillingsmuskeln (Mm. gastrocnemii) und dem weitgehend verdeckten 67 – Schollenmuskel (M. soleus); alle drei gehen in die Achillessehne über; 68 – die tiefen dorsalen Unterschenkelmuskeln sind dorsal verdeckt und ventral angedeutet; 69 – Vorderer Schienbeinmuskel (M. tibialis anterior); 70 – Langer Zehenstrecker (M. extensor digitorum longus); 71 – Langer Strecker der Großzehe (M. extensor pollicis longus); 72 – Langer Wadenbeinmuskel (M. fibularis = peroneus longus); 73 – Kurzer Wadenbeinmuskel (M. fibularis = peroneus brevis); 74 – Kurzer Großzehen- und Zehenstrecker (M. extensor pollicis brevis und M. extensor digitorum brevis).

▲

Farbtafeln 3 und 4: Oberflächliche Muskeln des Körpers, wie sie nach Entfernung der Haut sichtbar werden. Tafel 3 (S. 220): Ansicht von ventral, Tafel 4 (S. 221): von dorsal. Einige Muskeln sind in beiden Ansichten zu lokalisieren.

220 Bewegungsapparat

Bewegungsapparat des Rumpfes 221

222 Bewegungsapparat

Abb. 3/18: Wirkungsmöglichkeiten des Kopfnickers (M. sternocleidomastoideus). Bei a) sind auch Treppenmuskeln (M. scaleni ) dargestellt. (Nach MOLLIER.)

3.2.4.2

Brustwandmuskeln

Zwischen den Rippen befinden sich zwei Muskelschichten, die Musculi intercostales, die äußeren und inneren Zwischenrippenmuskeln, die sich in ihrem Faserverlauf kreuzen. Die äußeren können durch ihren schrägen Verlauf die Rippen anheben (Abb. 3/13), die inneren senken. Diese Funktion üben sie aber nur bei stärkeren Atemexkursionen aus. Im übrigen ist die Funktion beider, die Verspannung der Brustwand gegen den wechselnden Unterdruck im Brustraum (s. Atmung, S. 372) zu gewährleisten. Der Brustkorb ist oben durch drei Mm. scaleni, die Treppenmuskeln, an der Halswirbelsäule befestigt, die, von den Querfortsätzen der Halswirbel kommend, gestaffelt zur ersten und zweiten Rippe ziehen (Abb. 3/18). Sie halten den Brustkorb nicht nur, sondern sie heben ihn auch bei der Einatmung an. Außerdem können sie die Halswirbelsäule zur Seite oder nach vorne neigen, je nachdem ob sie ein- oder beidseitig kontrahiert werden. Ein weiterer Muskel, der den

44 45

oblíquus (lat.) – schräg; abdómen (lat.) – Bauch. neúron (gr.) – ursprünglich: die Sehne, später auch: der Nerv.

Brustkorb nach oben hält, ist der M. sternocleidomastoideus, der Kopfnicker, der vom Brustbein und dem Schlüsselbein zum Warzenfortsatz des Kopfes (Abb. 3/18) zieht. Vor allem ist er ein Kopf- und Halsbeweger, der je nach Spannung der übrigen Halsmuskeln vielerlei Bewegungsmöglichkeiten hat (Abb. 3/18). Einseitig kontrahiert kann er den Kopf drehen oder seitwärts neigen; beidseitig kontrahiert kann er ihn nach vorne ziehen oder das Gesicht erheben. Er bildet unter der Halshaut den bekannten schrägen Wulst, der dem Hals seine charakteristische Kontur gibt. Zwischen den Ursprüngen beider Muskeln liegt die Drosselgrube mit der Luftröhre. 3.2.4.3

Bauchwandmuskeln

Die Zwischenrippenmuskeln finden nach unten zum Becken hin als platte Bauchmuskeln ihre Fortsetzung, die in drei Schichten liegen. Außen liegt der M. obliquus externus abdominis44, der äußere schräge Bauchmuskel, der von den Außenseiten der unteren Rippen entspringt und zum Darmbeinkamm schräg nach vorne abwärts zieht (Farbtafel 3). Das Muskelfleisch geht etwa handbreit seitlich der Bauchmittellinie in eine flächige Sehne (Aponeurose45) über, deren Seh-

Bewegungsapparat des Rumpfes 223

nenfasern den Verlauf der Fleischfasern fortsetzen. Dieser Muskelrand ist bei vielen antiken Plastiken stilisiert betont. Die Aponeurose geht in das zwischen vorderem Darmbeinstachel und dem Schambein seitlich der Symphyse ausgespannte Leistenband über. Über dem Leistenband tritt sie auseinander, um beim Manne den Samenstrang, bei der Frau das runde Mutterband durchtreten zu lassen (über Leistenbrüche s. weiter unten). In der nächsttieferen Schicht liegt der M. obliquus internus abdominis, der innere schräge Bauchmuskel, dessen Faserverlauf nahezu senkrecht zu dem des äußeren schrägen Bauchmuskels gerichtet ist. Auch er geht seitlich der Mittellinie in eine Aponeurose über. Über die Mittellinie hinweg setzen sich die Aponeurosefasern beider schräger Bauchmuskeln in die der anderen Seite fort, indem sie sich durchflechten. Dadurch bilden sie einen starken Längsstreifen vom Brustbein zur Symphyse (die Linea alba46 ). In der innersten Schicht liegt der M. transversus abdominis, der quere Bauchmuskel, dessen Fasern, wie der Name sagt, horizontal von der einen zur anderen Seite herüberziehen. Auch er geht, wie die vorigen, seitlich der Mittellinie in eine Aponeurose über. So liegen in der vorderen Bauchwand hintereinander drei Aponeurosen. Sie verwachsen nahe den Muskelrändern miteinander und bilden nach erneuter Aufspaltung eine Scheide für den senkrecht verlaufenden M. rectus abdominis, den geraden Bauchmuskel. Dieser zieht beiderseits der Mittellinie, nach oben immer breiter werdend, vom Schambeinoberrand seitlich der Symphyse herauf bis zur Brustvorderwand. In seinem Verlauf ist er wiederholt durch Sehneneinlagerungen (stilisiert bei antiken Plastiken dargestellt) mit seiner Aponeurosenscheide verwachsen. Dadurch kann der Zug von einem schrägen Bauchmuskel auf den geraden und umgekehrt übertragen werden. Der gerade und der quere Bauchmuskel bilden eine senkrecht stehende, die beiden schrägen Bauchmuskeln eine schräg liegende Kreuzgurtung der Bauchwand (Abb. 3/19). Diese Anordnung der Bauchmuskulatur ermöglicht Drehung, Beugung und Seitwärtsneigung des Rumpfes. Außerdem bilden die sperrholzartig über46

álbus (lat.) – weiß; weil hier meist die weißen Kollagenfasern durch die davorliegende fettgewebsarme Mittellinie der Haut durchschimmern.

einanderliegenden Schichten eine kräftige Schutzdecke für die Baucheingeweide, die aber so nachgiebig ist, daß sie sich den wechselnden Raumverhältnissen (Darm- und Blasenfüllung, Schwangerschaft und Geburt) anpassen kann. Dabei ist die Bauchwandmuskulatur bei der Entleerung der Eingeweide (Blase, Mastdarm, Gebärmutter) zudem noch von aktiver Bedeutung, indem sie deren lnhalt unter Druck auf den Bauchraum austreibt: Bauchpresse. Daß sie auch für die Ausatmung (dazu beim Husten, Niesen, Lachen) eine bedeutende Rolle spielt, wird später besprochen (S. 374). Daß sie den Brustkorb dem Becken aktiv nähern kann, ist infolge ihrer Lage einleuchtend; wir gebrauchen sie beim Aufsitzen aus der Rückenlage. Daß sie aber auch das Gegenteil, nämlich die Aufrichtung und Streckung des Rumpfes, bewirken kann, ist nicht so leicht verständlich; doch benutzen wir sie viel häufiger hierbei als zum Husten, Niesen, Lachen oder auch zur Darmentleerung. Besonders beim Tragen oder Hochheben von Lasten genügt der Rückenstrecker nicht; wir spannen dazu die Bauchmuskulatur maximal an. Sie drängt dann bei geschlossener Stimmritze (damit keine Ausatmung erfolgt und das Zwerchfell nicht nachgeben kann) die Eingeweide in den Bauchraum hinein, und diese drängen ihrerseits Becken und Brustkorb auseinander, wobei der Rumpf aufgerichtet wird: er wird mit der Rumpfpresse gestreckt. Eingeweidebrüche. Weist die Bauchwand irgendwo eine dünne Stelle auf (d. h. eine Stelle, an der keiner der oben genannten Bauchmuskeln muskulös, sondern nur aponeurotisch = bindegewebig ausgebildet ist), dann werden hierdurch bei starkem Pressen unter Umständen Eingeweide unter die Haut gedrückt, es kommt zu einem Bruch (Hernie) oder bei schlaffem Beckenboden (s. unten) zu einem Vorfall (Prolaps). Besonders gefährlich ist für Menschen mit Bruchanlagen (das sind solche dünnen Stellen, durch die ein Bruch erfolgen kann), wenn sie beim Heben von Lasten zugleich reden, singen oder lachen. Denn durch den Wechsel von Öffnen und Schließen der Stimmritze tritt jedesmal ein erneuter Druckanstieg im Bauchraum auf, der einen beginnenden Bruch weiter durch seine Pforte treiben kann. Die häufigste Bruchpforte ist beim Mann der Leistenkanal, der über dem Leistenband aus der Bauchhöhle zum Hoden führt. Der von der Aponeurose des äußeren schrägen Bauchmuskels gebildete äußere Leistenring ist normalerweise nur so weit, daß gerade der Samenstrang mit seinen Begleitgefäßen hindurchtreten kann. Ein weiter Leistenkanal stellt immer eine Bruchanlage dar, durch die Baucheingeweide (Netz, Darm u. a.) unter die Haut, ja bis in den Hodensack gepreßt werden können. Ein solcher Leistenbruch ist entweder leicht (durch die Hand des Arztes!) zurückschieb-

224 Bewegungsapparat

Abb. 3/19: Die doppelte Kreuzgurtung der Bauchmuskulatur. a – Gerader Bauchmuskel (M. rectus abdominis), b – Äußerer schräger Bauchmuskel (M. obliquus ext. abdominis), c – Innerer schräger Bauchmuskel (M. obliquus int. abdominis). Von b und c sind nur Streifen dargestellt. d – Querer Bauchmuskel (M. transversus abdominis). Rechts Drehwirkung der gegenseitigen, äußeren und inneren schrägen Bauchmuskeln.

bar, oder er muß, wenn eingeklemmt, operativ zurückverlegt werden, wobei dann die Bruchpforte verengt wird. Bei der Frau ist der Schenkelbruch häufiger, wobei die Eingeweide unter dem Leistenband hindurch entlang den aus dem Bekken zum Oberschenkel ziehenden Gefäßen gepreßt werden. Weiter kommen Brüche auch in der aus Aponeurosefasern grob geflochtenen Mittellinie der Bauchwand vor, besonders

in der Nabelgegend (Nabelbruch). Es können sogar Brüche durch dünne (muskelfreie!) Stellen des Zwerchfells in den Brustraum treten (Zwerchfellhernie).

Bewegungsapparat des Rumpfes

3.2.5

Rumpfhaltung

Beim Vierbeiner verspannt die den Brustkorb und das Becken verbindende Bauchwandmuskulatur den Bogen der Wirbelsäule, der durch die Vorder- und Hinterextremitäten abgestützt wird. Zugleich trägt sie die Eingeweide. Bei dem im labilen Gleichgewicht stehenden Menschen erhält sie noch weitere Aufgaben. Sie muß vor allem im Zusammenspiel mit der Rückenmuskulatur die Wirbelsäulenkrümmung so verspannen, daß sie einerseits die für die Abfederung günstige Doppelkrümmung beim Stehen und Gehen erhält, andererseits aber weder den Brustkorb zu weit herabzieht, was die Atmung und die Baucheingeweide behindern würde, noch bei Erschlaffung dem Bauchinhalt zu viel Platz läßt. Die aufrechte Rumpfhaltung des Menschen erfordert also einen Kompromiß zwischen Wirbelsäulenelastizität und Eingeweideraum. Das Optimum wird als Normalhaltung bezeichnet (Abb. 3/20) und wird auch ästhetisch als ideal empfunden. Dabei befinden sich die vorderen Darmbeinstacheln und die Symphyse des Bekkens in einer senkrechten Ebene und die Wirbelsäule darüber weist die oben beschriebenen Krümmungen auf. Im Bereich dieser Normalhaltung sind mancherlei Variationen möglich, besonders hinsichtlich der Scheitelpunkte und Übergänge der Wirbelsäulenkrümmungen an benachbarten Wirbeln. Bei aufrechter Haltung des Menschen werden Muskeln nur soweit beansprucht, daß sie den in seinem Band- und Gelenkapparat aufgehängten Körper im Gleichgewicht halten. Hierbei ist das Prinzip einer

Abb. 3/20: Haltungsformen (nach LEGER). a) Normalhaltung, b) flacher Rücken, c) runder Rücken, d) hohler Rücken.

225

energiesparenden Ökonomie der Muskelarbeit erkennbar. Bei Fehlhaltungen müssen bestimmte Muskelgruppen erhebliche Haltearbeit leisten, was zu schmerzhafter Ermüdung dieser Muskeln führt und die Fehlhaltungen unter Umständen noch verstärkt. Ein Übergewicht der Bauchmuskulatur über die Rückenmuskulatur oder umgekehrt, sei es durch einseitiges Training oder durch Vernachlässigung, führt zu Fehlhaltungen, die sich beim flachen Rücken (Abb. 3/20b) in geringerer Stoßelastizität, beim runden und hohlrunden Rücken (Abb. 3/ 20c und d) in Eingeweidestörungen bemerkbar machen. Der flache Rücken ist besonders bei muskelschwachen, zarten und langaufgeschossenen Kindern häufig. Die schwach gehaltene Wirbelsäule neigt zu Verbiegungen, woraus der schlaffe Rundrücken der Jugendlichen, der Sitzbuckel bei gewohnheitsmäßiger oder aufgezwungener, über lange Tageszeiten eingenommener gebeugter Rumpfhaltung entstehen kann. Oft wirken noch Kurzsichtigkeit, kleine Schrift, langes Computern, ungenügendes Licht und ungünstige Verhältnisse von Sitz- und Tischhöhe fördernd. Er kann durch ausgleichende Gymnastik und Sport mit gleichgewichtender Kräftigung der Bauch- und der Rückenmuskulatur vermieden werden. Der straffe Rundrücken oder Arbeitsbuckel kann aus dem schlaffen hervorgehen oder auch bei einseitiger Armarbeit, besonders in gebückter Haltung, oder als Radfahrerbuckel im Jugendalter auftreten. Der hohlrunde Rücken kann auf Schlaffheit der Bauchwandmuskeln und des Rückenstreckers im Brustwirbelsäulenbereich beruhen. Er kann aber auch mit allgemein kräftiger Muskulatur, besonders des Rükkenstreckers im Lendenwirbelbereich, verbunden sein. Die Normalhaltung ist vor allem von der Beckenstellung abhängig. Dies ist in Abb. 3/20 dadurch gekennzeichnet, daß vorderer Darmbeinstachel und Symphyse durch eine gestrichelte Linie verbunden sind. Bei zu starker Rückneigung des Beckens (Abb. 3/20b) kommt zu der Stoßanfälligkeit der Wirbelsäule noch eine Steifheit des Gangs dadurch zustande, daß die Rückwärtsbewegung (Streckung) der Beine im Hüft-

226 Bewegungsapparat

3.2.6

Beckenboden

Der Beckenausgang ist durch eine Anzahl flächig gestalteter Muskeln verschlossen, von denen der wichtigste der trichterförmig gebaute Anheber des Afters, der M. levator ani, ist. Er ist an der Innenseite des kleinen Beckens halbkreisförmig befestigt und umschließt mit seiner nach unten gewandten Trichterspitze den After, um den er mit einer Ringverstärkung den äußeren (willkürlichen) Afterschließmuskel (M. sphincter ani externus) bildet. Zwischen After und Symphyse läßt der Afteranheber beim Mann die Harnröhre, bei der Frau Scheide und Harnröhre durch eine Lücke (sog. Levatorschlitz) hindurch, die aber unter ihm von dem queren Dammuskel (M. transversus perinei) abgedeckt wird. Die Muskeln des Beckenbodens sind die Haupthalteapparate für die Beckeneingeweide. Abb. 3/21: Beckenhaltung. Lendenwirbelsäule und zweiköpfiger Oberschenkelmuskel (M. biceps femoris) beim aufrechten Sitzen.

gelenk kaum weiter möglich ist, denn sie wird schon bei Normalhaltung nach etwa 10° durch die Gelenkbänder gebremst (s. S. 239). Deshalb muß man beim weit ausschreitenden Gehen, aber erst recht beim Laufen, das Becken und mit ihm den Rumpf vorneigen.

Beim Sitzen wird das Becken um ca. 30° zurückgeneigt. Dadurch wird die Krümmung der Lendenwirbelsäule aufgehoben (Abb. 3/21) und die Spannung der Bandscheiben ändert sich so, daß sie gegen Stöße sehr empfindlich werden. Dadurch erklären sich bei Auto- und besonders Traktorfahrern die Bandscheibenschäden. Auch vieles Sitzen schädigt die Bandscheiben. Das Sitzen mit Band- und Lendenwirbelsäulenhaltung wie im Stehen ist aber wegen der auf der Rückseite des Oberschenkels gelegenen, vom Sitzbeinhöcker zum Unterschenkel ziehenden ischiocruralen Muskulatur (s. S. 244) unangenehm und unbequem. Deshalb sind auch die wohlgemeinten Sitzstützen, die die Lendenwirbelsäule in Lordosehaltung zwingen und deren Bandscheiben in Entspannungsstellung bringen sollen, nahezu illusorisch. Nur beim richtigen, durch Muskelverspannung gehaltenen Reitsitz befindet sich die Wirbelsäule in optimaler Form und ist nicht gefährdet.

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Das Unvermögen, den Inhalt zurückzuhalten; von in (lat.) – Negation und continére (lat.) – inne behalten, halten. clávis (lat.) – Schlüssel.

Sind die Muskeln zu schlaff, so können die Eingeweide mehr oder weniger durch ihre Ausgänge herausgestülpt werden (Vorfall = Prolaps, s. o.). Die Schlaffheit ist zwar meist anlagemäßig bedingt, sie kann aber durch sinnvolle Gymnastik oder Sport gebessert werden. Reißt bei einer Geburt die Muskulatur und damit der Afterschließmuskel (Dammriß), so ist eine Inkontinenz47 die Folge, wenn der Riß nicht genäht wird (Dammnaht).

3.3 Bewegungsapparat der oberen Gliedmaßen 3.3.1 3.3.1.1

Schultergürtel – Oberarmbereich Knochen und Gelenke

Der Schultergürtel besteht aus Schlüsselbein und Schulterblatt. Das Schlüsselbein, Clavicula 48, hat seinen Namen nach der Form der altertümlichen Schlüssel, die bajonettförmig gebogen durch ein Türloch gesteckt wurden und den innen befindlichen Riegel vor- oder zurückschoben. Beim menschlichen Schlüsselbein liegt die schwache S-Krümmung horizontal, so daß es in Brustbeinnähe nach vorne konvex, in Schulternähe nach vorne konkav ist (Abb. 3/22). Mit dem Brustbein und der ersten Rippe ist es durch eine Anzahl besonders kräftiger Bänder verbunden. Von diesen zieht eines sogar im Gelenkspalt selbst von dem Ansatz der Rippe am Brustbein zum oberen Innenrand des Schlüsselbeins (Abb. 3/23). Es hält vor allem das Schlüsselbein in seiner meist waagrechten Stellung und ermöglicht das Hängenlassen der Arme ohne große Muskelkraft. Da es das Gelenk meist in zwei

Bewegungsapparat der oberen Gliedmaßen 227

Abb. 3/22: Schultergürtel von oben.

Spalten teilt, wird das Band auch als Diskus (vgl. S. 203) bezeichnet, doch ist es keineswegs so verschiebbar wie ein echter Diskus (vgl. Abb. 8/ 6, S. 405). Aus der Normalstellung kann das Schlüsselbein gehoben (55°) und etwas gesenkt (5°), gut nach vorne und auch nach hinten (je 30°) geführt werden. Das Schlüsselbein dient beim Menschen wie bei Tieren dazu, die Schulter vom Rumpf abzuspreizen, wodurch es dem Arm ermöglicht wird, Seitwärtsbewegungen auszuführen. Das Schulterblatt, Scapula49 (Abb. 3/24), ist ein platter Knochen, der aus einer „Rahmenkonstruktion“ – ähnlich dem Hüftbein – mit drei festeren Rändern besteht, während die Mitte sehr dünn ist, ja durchscheinend und löcherig sein kann. An dem oberen nach der Seite gerichteten Winkel befindet sich die sehr flache und kleine Gelenkpfanne für das Schultergelenk; sie wird durch eine Gelenklippe aus Fasermassen zu einer Hohlform vergrößert, die annähernd die Hälfte des Oberarmkopfes aufnehmen kann. Neben der Gelenkpfanne geht vom Oberrand des Schulterblattes der Rabenschnabelfortsatz nach vorne ab; er ist hakenförmig nach außen abgebogen und kommt dadurch sehr nahe über den Oberarmkopf zu liegen (Abb. 3/26). Man kann ihn unter der äußeren Hälfte des Schlüsselbeins an sich selbst tasten. Auf der Hinterseite des Schulterblattes zieht vom medialen, der Wirbelsäule nahen Rand, langsam höher werdend, die Schultergräte (Spina scapulae) in Rich-

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scápula (lat.) – Schäufelchen. von ákros (gr.) – scharf, spitz, äußerst, höchst und ómos (gr.) – Schulter (vgl. Französisch omoplate – Schulterblatt).

Abb. 3/23: Brustbein-Schlüsselbeingelenke von vorne. Das linke Gelenk ist durch einen Sägeschnitt eröffnet, so daß das im Gelenk liegende, als Diskus (a) bezeichnete Band sichtbar wird. b – vorderes Gelenkband, c – oben und hinten liegende Bandverbindung beider Schlüsselbeine, d – Rippen-Schlüsselbeinband.

Abb. 3/24: Rechtes Schulterblatt von hinten. a – medialer = „Wirbelsäulenrand“, b – Schultergräte (Spina scapulae), c – Oberrand mit Einschnitt (Pfeil), d – Rabenschnabelfortsatz, e – Schulterhöhe (Acromion), f – Schultergelenkpfanne, g – seitlicher Rand.

tung auf das Schultergelenk. Vor diesem hebt sie sich ab und biegt, sich abplattend, nach vorne um, so daß sie dachartig über das Schultergelenk zu liegen kommt. Dieser Teil ist als Schulterhöhe, Acromion50 , unter der Haut tastbar. Mit dem nach innen sehenden kurzen Rand der Schulterhöhe steht das äußere Ende des Schlüsselbeins in gelenkiger Verbindung (Abb.

228 Bewegungsapparat Abb. 3/25: Rechter Oberarmknochen von vorne. Der Kopf ist vom Schaft durch den anatomischen Hals (a) abgesetzt, während ein Oberarmbruch meist darunter im Schaft stattfindet, welche Stelle chirurgischer Hals (b) genannt wird. Nach seitlich ragt der große Höcker (c) , nach vorne der kleine Höcker (d). Distal liegt über dem Köpfchen (e) der äußere Epicondylus (f) , über der Rolle (g) der innere Epicondylus (h).

hierbei keine Führungsbänder erforderlich sind – sie würden die Bewegungen hemmen – und zudem die Gelenkkapsel sehr weit ist, müssen die anliegenden Muskeln den Zusammenhalt sichern und zugleich verhindern, daß die lockere Gelenkkapselwand in den Gelenkspalt eingeklemmt wird. Hierfür setzen die Muskeln immer auch mit einigen Faserbündeln an der Kapselwand an und ziehen sie bei den Gelenkbewegungen vom Gelenkspalt weg (Abb. 3/26). Den Zusammenhalt des Gelenks bewirken die Muskeln in der Weise, daß sie jedem Zug, der von außen auf das Gelenk wirkt (etwa beim Ziehen eines Wagens oder beim Hängen am Reck), einen entsprechenden Muskelzug entgegensetzen. Kommt die Zugkraft jedoch überraschend, so führt sie leicht zu einer Ausrenkung (Luxation), die bei dem nur muskel- und nicht bandgesicherten Schultergelenk besonders häufig ist.

3/22). Über dieses Kugelgelenk können beide Skeletteile gegeneinander bewegt werden. In die Gelenkpfanne des Schulterblattes ist der nach innen oben sehende halbkugelige Kopf des Oberarmknochens, des Humerus51 (Abb. 3/25) beweglich eingefügt. Seitlich vom Kopf und vor ihm liegen am Schaft zwei Höcker, die nach unten in Kämme auslaufen und wie diese als Muskelansätze dienen. (Über das untere Ende des Oberarmbeins s. beim Ellbogengelenk, S. 231). Das Schultergelenk (Articulatio humeri) ist ein Kugelgelenk mit großer Bewegungsfreiheit. Da

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ebenfalls von ómos (gr.) – Schulter. bi- (lat.) – zwei, von bis, zweimal; cáput (lat.) – der Kopf; bráchium (lat.) – Arm, hier nur Oberarm.

Die dicht am Schultergelenk liegenden Muskeln kommen von der Vorderseite (Unterschulterblattmuskel, M. subscapularis) und von der Hinterseite (Ober- und Untergrätenmuskel, M. supra- bzw. infraspinatus) des Schulterblattes und gehen an die beiden Höcker des Oberarmbeins. Außer der Gelenksicherung können sie je nach ihrer Lage zum Gelenk auch Oberarmbewegungen ausführen. Da dem Schultergelenk unten kein Muskel anliegt, kommt eine Ausrenkung nach unten am häufigsten vor.

3.3.1.2

Muskeln

Armtragemuskeln. Dem Zug des Armes aus der Schulterpfanne nach unten, z. B. beim Tragen schwerer Lasten, wirken Muskeln entgegen, die vom Schulterblatt zum Arm ziehen. Bei längerem Tragen spüren wir diese Armtragemuskeln. Zu ihnen gehört der kurze Kopf des M. biceps brachii52, des zweiköpfigen Oberarmmuskels, der vom Rabenschnabelfortsatz entspringt und zusammen mit dem langen Kopf an den Unterarm zieht (Weiteres über diesen Muskel auf S. 233). Ein kürzerer Muskel, der M. coracobrachialis, der Rabenschnabel-Oberarmmuskel,

Bewegungsapparat der oberen Gliedmaßen 229

Abb. 3/26: Die Kapsel des Schultergelenks und ihre Spanner: a – Obergrätenmuskel (M. supraspinatus) , b – Dreiköpfiger Armmuskel (M. triceps brachii = Trizeps, langer Kopf), c – die Sehne des langen Bizeps (M. biceps brachii )-Kopfes, die durch das Schultergelenk hindurchläuft.

geht noch vom Rabenschnabelfortsatz zur Mitte des Oberarms. Als dritter Armtragemuskel wirkt der lange Kopf des M. triceps brachii53, des dreiköpfigen Oberarmmuskels, der von der Unterseite der Schulterpfanne entspringt (einige Faserzüge befestigen sich auch als Kapselspanner an der Gelenkkapsel, Abb. 3/26), nach seiner Vereinigung mit den beiden anderen, vom Humerus entspringenden Köpfen geht er als Strecker an den Ellbogen (Weiteres auf S. 233). Vom Schlüsselbein, der Schulterhöhe und Schultergräte kommend, überspannt der M. deltoideus, der Deltamuskel, das Schultergelenk und tritt an die Außenseite der Oberarmmitte heran. Legt man den isolierten Muskel auf eine flache Unterlage, so sieht man seine dreieckige Gestalt, der er den Namen verdankt. Er ist mehrfach gefiedert (Abb. 2/64, S. 199). Zusammen mit dem Obergrätenmuskel und dem langen Bizepskopf ist er der Hauptheber des Armes im Schultergelenk. Dabei verlagern sich seine anfänglich unterhalb der Gelenkachse gelegenen Teile über diese hinauf und helfen bei der Hebung mit, so daß immer mehr Muskelteile beim Anheben beteiligt sind, je höher der Arm kommt und je schwerer er infolge der Hebelvergrößerung wird (Abb. 3/27). Umgekehrt werden bei einer Abwärtsbewegung des Armes gegen Widerstand, z. B. Stütz am Barren oder

53 54

tri- (lat.) – drei. Der Muskel einer Seite hat Trapezform, die „parallelen“ Linien sind die Ursprungslinie an der Wirbelsäule und die Ansatzlinie am Schultergürtel. Der linke und rechte Muskel zusammen sehen wie eine herabhängende Kapuze aus.

Reck, mehr Muskelteile den Arm nach unten ziehen, je weiter die Heranführung des Armes an den Rumpf fortschreitet. Der Deltamuskel liegt so um das Schultergelenk, daß er alle Bewegungen ausführen kann: seine oberen Partien heben, die unteren senken den Arm; die vorderen führen ihn nach vorne oder drehen ihn einwärts, die hinteren vermögen das Gegenteil. So ist der Muskel immer auch sein eigener Antagonist (vgl. S. 199 und Abb. 2/67), darum wird er auch bei Bewegungen nie in allen seinen Teilen kontrahiert; nur wenn das Schultergelenk steif gehalten werden soll, wird der ganze Muskel dazu verwendet (z. B. beim Handstand). Die Armhebung. Der Deltamuskel und die kleineren über das Schultergelenk ziehenden Muskeln könnten bei stillgehaltenem Schulterblatt den Oberarm im Schultergelenk nur bis zur Waagrechten heben; die weitere Armhebung ist nur durch Drehung des Schulterblattes im Schulterblatt-Schlüsselbeingelenk unter gleichzeitiger Anhebung des Schlüsselbeins möglich. Bei der Armhebung finden allerdings alle Bewegungen gleichzeitig und nicht nacheinander statt. Die Bewegung des Schultergürtels besorgen der M. serratus anterior (vorderer Sägemuskel ) und der M. trapezius 54, der Kapuzenmuskel (Abb. 3/27). Der M. serratus anterior entspringt von der vorderen Außenseite der obersten neun Rippen, legt sich dem Brustkorb seitlich an und tritt, zwischen diesem und dem Schulterblatt hindurchziehend, an den medialen Rand des Schulterblattes heran. So kann er dieses nach der Seite ziehen. Bei der Armerhebung holt er besonders den unteren Teil des Schulterblattes vor, wodurch dessen Gelenkende nach oben gedreht wird. Die fleischigen Ursprungszacken des Muskels sieht man bei

230 Bewegungsapparat Links: Abb. 3/27: Armhebung durch den Trapezius (M. trapezius) und den unteren Teil des vorderen Sägemuskels (M. serratus ant.) für die Schulterblattdrehung und den Deltamuskel (M. deltoideus) für die Schultergelenkbewegung. Rechts: Abb. 3/28: Armherabnahme (Aufstützen im Barren) durch den Heber des Schulterblattes (M. levator scapulae; oberster Pfeil), den Rautenmuskel (M. rhomboideus; mittlerer Pfeil) und den breiten Rückenmuskel (M. latissimus dorsi; unterer Pfeil). Hinzu kommen noch der große und kleine Brustmuskel (Mm. pectorales major und minor) auf der Vorderseite des Brustkorbes.

mageren Menschen an der Außenseite des Brustkorbes unter der Haut (Farbtafel 3, S. 220); die gesägt erscheinende Randlinie hat dem Muskel den Namen gegeben. Gemeinsam mit dem Sägemuskel wirkt der M. trapezius an der Schulterblattdrehung. Er entspringt von der Mittellinie des Rückens, vom Hinterhaupt herab bis zum letzten Brustwirbeldornfortsatz. Seine Fasern konvergieren auf den Schultergürtel zu, wobei die oben entspringenden Teile zum äußeren Drittel des Schlüsselbeins und zur Schulterhöhe, die mittleren zum Außenteil der Schultergräte und die von unten entspringenden zum Innenteil der Schultergräte ziehen (Abb. 3/27). Bei seiner Kontraktion zieht also der Oberteil des Muskels die Schulterhöhe und das Schlüsselbein nach oben und der Unterteil den inneren Abschnitt der Schultergräte nach unten; dadurch kommt es ebenfalls zu einer Aufwärtsdrehung des Schulterblattes, die um nicht ganz 90° gegenüber der Ruhelage erfolgen kann. Bei Versteifung des Schultergelenks kann der Arm mittels der Schulterblattdrehung nur noch bis zur Horizontalen erhoben werden. So wirken bei der Hebung des Armes über den Kopf Delta-, Säge- und Kapuzenmuskel gemeinsam; bei Ausfall eines einzigen ist die Armhebung nicht mehr vollkommen möglich.

Die Armsenkung. Das Herunterführen des Armes erfolgt beim stehenden Menschen im allgemeinen durch die Schwerkraft unter Nachlassen des Tonus der den Arm hebenden Muskeln. Beim Klimmzug jedoch müssen kräftige Muskeln vorhanden sein, die nicht nur den Arm herunterführen, sondern das ganze Körpergewicht hinaufziehen können. Diese Muskeln sind

55

péctus (lat.) – Brust.

zusammengenommen sogar kräftiger als die Armheber. Die Abwärtsdrehung des Schulterblattes bewirken dabei der obere Teil des vorderen Sägemuskels, der Rautenmuskel und der Schulterblattheber (Abb. 3/28). Der M. levator scapulae, der Schulterblattheber, kommt von den Querfortsätzen der Halswirbel und geht an die obere innere Schulterblattecke. Er zieht diese hoch, wodurch die Abwärtsdrehung der Schulterblattpfanne erfolgt. Zusammen mit dem oberen Teil des Kapuzenmuskels führt er die Hebung des Schulterblattes ohne Drehung durch, z. B. bei der Geste des Achselzukkens. Der M. rhomboideus, der Rautenmuskel, kommt von den Dornfortsätzen der unteren Hals- und oberen Brustwirbel und zieht schräg abwärts zum Wirbelsäulenrand des Schulterblattes, also an dieselbe Linie, an die von vorne der Sägemuskel herantritt. Beide ziehen den Wirbelsäulenrand des Schulterblattes an den Brustkorb heran und bewirken als Gegenspieler die Führung dieses Skelettstückes. Bei gemeinsamer Kontraktion können Rauten- und Kapuzenmuskel die beiden Schulterblätter einander nähern. Der M. pectoralis minor55, der kleine Brustmuskel, der unter dem großen (s. u.) liegt, geht von den Vorderseiten der oberen Rippen an den Rabenschnabelfortsatz des Schulterblattes und zieht diesen nach abwärts.

Die eigentliche Herabführung und das Anpressen des Armes an den Rumpf geschieht im wesentlichen durch zwei große Muskeln, die vom Rumpfskelett an den Oberarm ziehen. Der M. latissimus dorsi, der breite Rückenmuskel, entspringt an der unteren Hälfte der Brustwirbelsäule, an der Lendenwirbelsäule und dem hinteren Ende des Darmbeinkammes und geht, die hintere Achselfalte bildend, an die Vorderseite des Oberarms. Von seiner ausgedehnten Ursprungslinie aus kann er den Oberarm mitsamt

Bewegungsapparat der oberen Gliedmaßen 231

der Schulter beckenwärts ziehen (Farbtafel 3 u. 4, S. 220 u. 221). Hängt der Mensch an den Armen (z. B. am Reck), dann trägt der breite Rückenmuskel das Becken samt einem Teil des Rumpfgewichts. Besonders bei hangelnden und schwingenden Tieren (Schimpanse, Gibbon und Spinnenaffen) spielt dies eine große Rolle. Beim verhältnismäßig schweren Schimpansen geht sogar der Ursprung des breiten Rückenmuskels vom Darmbeinkamm bis nach vorne auf das Leistenband über.

Ähnlich wie der breite Rückenmuskel auf der Rückseite des Rumpfes liegt vorne der M. pectoralis major, der große Brustmuskel (Farbtafel 3 u. 4, S. 220 u. 221). Er entspringt von der inneren Hälfte des Schlüsselbeins, am Brustbein und den Brustbeinrippen und geht an die Vorderaußenseite des Oberarms heran, wobei er die vordere Achselfalte bildet. Er führt nicht nur den erhobenen Arm abwärts, sondern holt auch den nach hinten zum Schlag oder Stoß ausholenden Arm nach vorne. Durch die ausholende Bewegung wird der Muskel gedehnt und bekommt so eine günstige Ausgangsposition, was beim Ball- und Speerwerfen, Stoßen und Schlagen von Vorteil ist. Beide großen Brustmuskeln zusammen können die Arme vor der Brust kreuzen. – Der große Brust- und der breite Rückenmuskel haben wegen ihrer Windung um den Oberarmknochen ferner noch gemeinsam die Fähigkeit, den Arm einwärts zu drehen, was sie z. B. beim Werfen während der Vorwärtsbewegung des Armes bewirken. Die Auswärtsdrehung des Armes sowie die Näherung von Oberarm und Schulterblatt führen die hierzu geeigneten kleineren, zwischen beiden Knochen liegenden Muskeln aus, von denen schon bei anderer Gelegenheit der Deltamuskel, der Unterschulterblatt-, der Ober- und der Untergrätenmuskel erwähnt wurden.

3.3.2 3.3.2.1

Ellbogenbereich Knochen und Gelenke

Oberarmknochen, Humerus. Das untere Ende des Humerus plattet sich von vorne und hinten ab und wird dabei nach den Seiten breiter (Abb. 3/25). Der Endrand ist zu einer Rolle (Trochlea)

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olékranon (gr.) – Kopf der Ulna. inter (lat.) – zwischen; ossa (lat.) – Plural von os, Knochen.

für die Elle verdickt, neben ihr befindet sich das kugelige Köpfchen, mit dem die Speiche artikuliert. Über der Rolle ist der abgeplattete Humerus von vorne und hinten eingedellt; hier finden die beiden vor und hinter der Gelenkpfanne der Elle gelegenen Fortsätze Platz. Unterarmknochen. Die Elle, Ulna, hat an ihrem starken oberen Ende eine breite Querrinne für das Scharniergelenk zum Oberarm. Die Gelenkfläche der Rinne ist längs gefirstet und paßt damit in die gekehlte Oberarmrolle genau hinein, wodurch die Gelenkbewegung geführt wird (Abb. 3/29). Der zangenartige Ausschnitt wird vorne noch durch den Hakenfortsatz, hinten durch den Ellbogen (Olecranon56) vergrößert. Dieser bildet bei gebeugtem Arm einen Widerstand gegen die Zugkraft der Beugemuskulatur (s. Abb. 2/66d, S. 200). Nach unten wird die Elle dünner und endet mit einem Gelenkköpfchen. Die Speiche, Radius, ist umgekehrt an ihrem unteren Ende stark verdickt zur gelenkigen Verbindung mit den Handwurzelknochen und trägt an ihrem oberen Ende ein zylindrisches Gelenkköpfchen, das sowohl mit einer entsprechenden Gelenkfläche der Elle als auch mit dem Köpfchen des Oberarmknochens artikuliert. Die Zwischenknochenmembran, Membrana interossea57. Zwischen Elle und Speiche ist eine kollagenfaserige Membran ausgespannt, die zusammen mit den Unterarmknochen als Ursprungsfläche für Muskeln dient. Sie hat neben der Verbindung der beiden Knochen (zusätzlich zu den oben und unten die Elle und Speiche verbindenden Bändern) die wichtige Aufgabe der Kraftübertragung von der Speiche auf die Elle. Da die Hand nur mit der Speiche in direkter gelenkiger Verbindung steht und ebenso vorwiegend nur die Elle mit dem Oberarm, muß eine auf die Hand drückende Kraft auf die Speiche, von dieser auf die Elle und dann erst auf den Oberarm übertragen werden (z. B. beim Aufstützen oder Hinfallen auf die Hand; s. Abb. 3/ 30). Die Fasern der Zwischenknochenmembran liegen fast überall in dieser Zugrichtung, nur in Handgelenknähe nicht, weshalb beim Sturz auf die Hand gerade dort der Unterarm am ehesten bricht.

Ellbogengelenk. Das Ellbogengelenk ist nicht nur ein einfaches Scharniergelenk, da in ihm außer der Armbeugung und -streckung auch noch die Bewegung der Elle gegen die Speiche und damit die Unterarmhanddrehung stattfindet. Bei dieser Umwendbewegung der Hand, die sich zwischen den Unterarmknochen abspielt, dreht sich die Speiche im Ellbogengelenk an Ort und Stelle, während sie distal (handwärts) um

232

Abb. 3/29: Die gelenkige Aneinanderfügung des Ober- und Unterarms (links), die Bänder des Ellbogengelenks (Mitte) und die Ellbogenverrenkung (rechts). a – Sehnenstummel des Bizeps, der an der Rauhigkeit der Speiche inseriert.

Abb. 3/30: Die Druckübertragung von der Hand über die Speiche (a), die Zwischenknochenmembran (b) und die Elle (c) auf den Oberarm. d – Ringband der Speiche.

Abb. 3/31: Handdrehung im Gelenk zwischen den Unterarmknochen. Der Bizeps (M. biceps brachii) wirkt als Auswärtsdreher (Supinator; S), da seine Sehne bei der Einwärtsdrehung (Pronation; P) um die Speiche aufgewickelt wird. (Die abgeschnittene 2. Sehne des Biceps strahlt in die oberflächliche Unterarmfascie ein und unterstützt die Beugung im Ellenbogengelenk.)

Bewegungsapparat der oberen Gliedmaßen 233

die Elle herumgeführt wird (Abb. 3/31). Dabei folgen die Handwurzel und die Hand, die beide gegeneinander und gegenüber der Speiche nicht gedreht werden können. Die Elle dagegen wird bei dieser Unterarmdrehung nicht bewegt. Das Ellbogengelenk hat seitliche Führungsbänder (Kollateralbänder); beide ziehen vom Oberarmknochen zur Elle. Dabei spaltet sich das speichenseitige Band am Speichenköpfchen und zieht vorne und hinten an diesem vorbei zur Elle. So ist die Speiche in ihrer Bewegungsfreiheit für die Unterarmdrehung nicht behindert, und ihr Köpfchen dreht sich in einem Sehnenring innerhalb des gespalteten Seitenbandes, wobei trotzdem das Scharniergelenk zwischen Oberarm und Elle durch das Seitenband gesichert ist (Abb. 3/29). Die Seitenbänder sind zugleich die Hemmungsbänder für eine Überstreckung, da sie bei Streckung am straffsten sind. Die Streckhemmung erfolgt also nicht durch einen Anschlag des Ellbogenfortsatzes in die auf der Hinterseite des Oberarmknochens über der Rolle befindliche Delle; dies würde eine Reizung der Knochenhaut verursachen. Der Knochen wird vielmehr schon bei seiner Entwicklung nur so stark angelegt (und bei eventueller Berührung später sogar weiter abgebaut), daß ein Anschlag bei der Streckung nicht mehr stattfinden kann. Die Beugehemmung des Ellbogengelenks erfolgt ebenfalls nicht durch Anschlag des Hakenfortsatzes in die vordere Delle des Oberarms, sondern durch die Weichteile von Ober- und Unterarm, d.h. durch die Muskeln, die ja bei der Beugung durch ihre Kontraktion dicker werden. Wenn eine von außen angreifende Kraft den Ellbogen überstreckt, so kommt es unter Überdehnung oder Zerreißung der Bänder zur Ausrenkung (Luxation; Abb. 3/29).

3.3.2.2

Muskeln

Von den Muskeln, die vom Schultergürtel oder Oberarm an die Elle herantreten, sind die vorne gelegenen reine Beuger, die hinten gelegenen reine Strecker. Hinten liegt als einziger Muskel der M. triceps brachii, der dreiköpfige Oberarmmuskel, der mit seinem langen Kopf auch auf das Schultergelenk einwirkt, da er von einer Rauhigkeit unterhalb der Schulterblattpfanne kommt (s. S. 228 und Abb. 3/26). Er wirkt als Armtragemuskel und kann auch den Arm heranführen. Seine beiden anderen Köpfe entspringen von der Rückseite des Oberarmknochens und vereinigen sich mit dem langen Kopf zu

58 59

pronáre (lat.) – vornüber neigen. supináre (lat.) – nach oben drehen.

einem Muskelbauch, dessen Endsehne am Ellbogen ansetzt. Er ist der einzige Strecker des Arms und bewirkt Stoßen, Stemmen, z. B. auch Hinaufdrücken in den Handstand. Auf der Vorderseite des Armes zieht der M. brachialis, der innere Armbeuger, von der Vorderfläche des Humerus zur Elle. Der M. biceps brachii, der zweiköpfige Armmuskel, hat zwar in erster Linie neben dem vorigen die bekannte Beugewirkung; er wirkt aber auch auf das Unterarmdrehgelenk und auf das Schultergelenk ein, wo sein kurzer Kopf bereits (s. S. 228) als Armtragemuskel und als Heranführer des Oberarms genannt wurde. Der lange Kopf entspringt oberhalb der Schulterblattpfanne; seine lange Sehne zieht innerhalb des Gelenkspaltes über den Oberarmkopf hinweg und liegt dann in der Rinne zwischen beiden oben genannten Höckern und Leisten. Sie drückt bei Kontraktion des Muskels den Oberarmkopf in die Pfanne (Abb. 3/26, S. 229). Dieser Muskelteil kann auch den Arm vom Rumpf zur Seite wegführen. Beide Köpfe gehen, scheinbar einen gemeinsamen Muskelbauch bildend, an eine Endsehne, die sich alsbald teilt (Abb. 3/31). Die Hauptsehne geht an ein Höckerchen der Speiche heran, sie wird bei Einwärtsdrehung (Pronation58) der Hand um die Speiche aufgewickelt, dadurch kann der Muskel bei seiner Kontraktion die Speiche und damit die Hand auswärts drehen (s. u.). Die Nebensehne des Bizeps geht über die Unterarmmuskeln hinweg zur Ellenseite und strahlt dort in die oberflächennah gelegene Unterarmfascie ein. Dieser Anteil der Bizepssehne wird bei Kontraktion des Muskels = Abwicklung der Hauptsehne von der Speiche, also bei Auswärtsdrehung (Supination59 ) der Hand, straff; dann wirkt der Muskel auf Speiche und Elle gleichzeitig ausschließlich im Sinne der Beugung. In dieser Stellung (Kammgriff am Reck) ist der Muskel jedoch durch Abwicklung seiner Sehne zu einem Teilumfang bereits kontrahiert, so daß er nicht ganz so kräftig beugen kann wie aus der Pronationsstellung (Ristgriff). Unter anderen Muskeln, die vom Unterende des Oberarms an die Hand gehen, beteiligt sich auch noch der M. brachioradialis, der Armspeichenmuskel, an der Beugung des Ellbogengelenks; er kommt von der Seite des Oberarms und zieht an das untere Speichenende. An der Einwärtsdrehung (Pronation) von Unterarm und Hand beteiligen sich neben zwei kleineren eigentlichen Einwärtsdrehern einige Unterarmmuskeln, die an die Hand gehen. Ebenso verhält es sich mit der Auswärtsdrehung (Supination). Diese ist aber kräfti-

234

Bewegungsapparat

ger wegen der starken Wirkung des Bizeps mit seiner Hauptsehne; dadurch wird die Auswärtsdrehung (Zudrehen von Büchsen, Hahnen und Schrauben mit Rechtsgewinde für den Rechtshänder) weniger anstrengend als die entgegengesetzte Tätigkeit.

3.3.3

Handwurzel und Hand

3.3.3.1

Knochen und Gelenke

Die Handwurzel (Carpus). Die Handwurzelknochen (Ossa carpalia) stehen mit der großen Gelenkfläche der Speiche in beweglicher Verbindung, während zwischen ihnen und der Elle ein kräftiges Band liegt, das die Speiche drehbar an die Elle heftet und im Röntgenbild als leere Stelle erscheint (Abb. 3/32). Die Handwurzel besteht aus zwei Reihen von Knochen (Abb. 3/33), die nach ihrer Form uralte überkommene Namen tragen. Zur ersten Reihe gehören, bei der Speichen- bzw. Daumenseite begonnen, das Kahnbein (Os scaphoideum 60), das Mondbein (Os lunatum 61) und das Dreiecksbein (Os triquetrum62). In der anderen Reihe liegen, ebenfalls an der Daumenseite beginnend, das große und das kleine Vieleckbein (Os trapezium 63, Os trapezoideum63), das Kopfbein (Os capitatum64) und das Hakenbein (Os hamatum65). Zu diesen echten Handwurzelknochen kommt noch das Erbsenbein (Os pisiforme66), das als Sesambein (s. S. 199) auf dem Dreiecksbein liegt. Verhältnismäßig häufig treten auch noch weitere Sesambeine an der Handwurzel auf.

Abb. 3/32: Röntgenbild der rechten Hand eines 14jährigen: Epiphysenfugen sind vorhanden; das Knochenwachstum ist also noch nicht abgeschlossen. Aufnahme Prof. Dr. BÜRKLE, Donaueschingen.

60 61 62 63

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66 67

68

scápha (lat.) – Nachen, Kahn. lúna (lat.) – Mond. tríquetrus (lat.) – dreieckig. trápezius (lat.) – trapezförmig, tafelförmig; trapézoideus (lat.) – Trapez-ähnlich. capitátus (lat.) – mit einem Kopf versehen. hámus (lat.) – Haken; hamatus – mit einem Haken versehen. písum (lat.) – Erbse; pisiformis – erbsenförmig. próximalis, der Körpermitte zugewandt, von próximus (lat.) – der nächste. distális, körperferner, von distáre (lat.) – abstehen.

Die Knochen der beiden Reihen sind untereinander nur wenig beweglich. Die proximale67, d. h. unterarmnahe Reihe (Kahn-, Mond- und Dreiecksbein) wirkt bei allen Bewegungen der Hand in der Handwurzel als gegliederter, knöcherner Diskus (vgl. S. 203), der in dem Gelenk zwischen Speiche und distaler 68 Handwurzelreihe verschiebbar eingebaut ist. Damit ist das Handwurzelgelenk ein zweispaltiges Gelenk von der Bewegungsfreiheit eines Eigelenks, in dem Beugung und Streckung sowie die Seitwärtsführung möglich sind (s. S. 205). Eine Drehung der Hand ist hier nicht möglich, sie erfolgt durch die Unterarmdrehung. Die Muskeln für die Bewegung des Handgelenks kommen vom Arm und gehen auf der Rückseite und der Beugeseite an einige Mittelhandknochen. Je nach Kombination dieser Muskeln können wir mit ihnen die verschiedenen Handbewegungen ausführen. Sie sind aber ebenso wichtig für die Fixierung der Handwurzel bei Fingerbewegungen, denn die Muskulatur der Finger kommt ebenfalls vom Unterarm und zieht über das Handgelenk hinweg, weswegen sie auch auf dieses eine Wirkung haben. So muß bei jeder Beugung oder Streckung der Finger, auch beim Wegführen des Daumens, die Handgelenkmuskulatur das Handgelenk feststellen, wenn es sich nicht mitbewegen soll.

Bewegungsapparat der oberen Gliedmaßen 235

Abb. 3/33: Skelett der Hand in Beziehung zu ihrer äußeren Kontur. Man beachte die Lage der Knochen und Gelenkspalten zu den Handlinien. Untere Reihe der Handwurzelknochen von rechts nach links: Kahnbein, Mondbein und Dreiecksbein mit aufsitzendem Erbsenbein. Obere Reihe von rechts nach links: großes, kleines Vieleckbein, Kopfbein und Hakenbein. (Unter Benutzung einer Abbildung aus LANZ-WACHSMUTH.)

Knochen und Gelenke der Hand. Der Mittelhandknochen (Os metacarpale) des Daumens sitzt in einem Sattelgelenk (s. S. 205) auf dem großen Vieleckbein; die anderen dagegen sind fest mit den Handwurzelknochen verbunden und nur minimal beweglich (Bandhaften). Lediglich eine geringe Querwölbung der Handfläche kann ausgeführt werden. An die Mittelhandknochen schließen sich die Fingerknochen (Phalanges) an; bei den langen Fingern sind es jeweils drei (Grund-, Mittel- und Endphalanx), beim Daumen nur zwei (Grund- und Endphalanx). Die Grundgelenke (zwischen Mittelhandknochen und Grundphalanx) der langen Finger sind Kugelgelenke; in ihnen ist willentliche Beugung-Streckung und Spreizung-Schließung möglich; die dritte Bewegung des Kugelgelenks, die Drehung um die eigene Achse, ist nur passiv möglich, also durch von außen angreifende Kräfte, da hierfür keine Muskulatur zur Verfügung steht. Die übrigen Gelenke der Finger (Mittel- und Endgelenke der langen Finger wie die beiden Gelenke des Daumens) sind Scharniergelenke, deren Seitenbänder die Überstrek-

kung hemmen, in Beugung aber locker werden weil sie vor den Gelenkachsen ansetzen. 3.3.3.2

Muskeln

Fingerbeugemuskulatur. Für die Fingerbewegung stehen mehrere Muskeln zur Verfügung, die mannigfach abgestufte Bewegungen ermöglichen. Auf der Beugeseite liegen in zwei Hauptschichten am Unterarm, von den beiden Knochen und der Zwischenknochenmembran entspringend, die Fingerbeuger. Die zutiefst liegenden gehen an die Endphalangen heran; sie führen den kraftvollen Faustschluß aus. Die oberflächlichen gehen an die Mittelphalangen; dabei spaltet sich ihre Sehne über der Mittelphalanx und läßt die Sehne des tiefen Beugers nach vorne durchtreten. Ihre weniger kräftigen Muskelbäuche sind gut gegeneinander isoliert und besorgen die Feineinstellungen der einzelnen Finger. Für die Beugung der Grundgelenke liegen kleinere Muskeln in den Räumen zwischen den Mittelhandknochen, sie entspringen von den Seitenflächen der Mittelhandknochen.

236 Bewegungsapparat zum Teil sind die Sehnenscheiden dazwischen auch unterbrochen. Entzündungen und Eiterungen, die von der Haut aus in die Sehnenscheiden einbrechen, breiten sich darin sehr rasch aus; sie sind nicht nur schmerzhaft, sondern führen unter Umständen zu einer Fingerversteifung, wenn die Sehne in ihrer Scheide festwächst. Durch rhythmische Bewegungen der Finger über längere Zeit (Schreibmaschinenschreiben) können auch nichtinfektiöse Sehnenscheidenentzündungen auftreten. Durch atypisches Knochenwachstum kann der Carpaltunnel eingeengt werden. Hierdurch entstehen Druckbelastungen am Nervus medianus, die sich in dessen Innervationsgebieten als Störungen äußern: die Daumenballen-Muskulatur atrophiert und an der Haut von Hohlhand, Daumen, Zeigeund Mittelfinger treten Sensibilitätsstörungen auf. Ein solches Carpaltunnelsyndrom muß operativ behandelt werden.

Abb. 3/34: Die Verbindung der Sehnen der Fingerstrecker (Mm. extensores digitorum), die eine isolierte Streckung des 4., zum Teil auch des 3. Fingers verhindern. Gelb: bindenartig umlaufendes Halteband.

Durch ihre Lage seitlich von den Fingergelenken sind sie außerdem die Hauptmuskeln für Spreizen und Zusammenschließen der Finger. Auf der Innenseite der Hand, im Daumenballen, liegen auch die Muskeln, die den Daumen mitsamt seinem Mittelhandknochen den übrigen Fingern gegenüberzustellen vermögen, speziell der für diese Oppositonsstellung hauptverantwortliche M. opponens pollicis69. Sehnenscheiden. Die Sehnen der langen vom Unterarm kommenden Fingerbeuger sind in Gleithüllen, den Sehnenscheiden, eingeschlossen. Diese liegen zunächst eng zusammen mit dem Mittelarmnerv (Nervus medianus, vgl. S. 594) im Carpaltunnel, der durch die zur Handseite hin konkav angeordneten Handwurzelknochen und ein bindenartig umlaufendes Halteband gebildet wird. Im Innern einer Sehnenscheide befindet sich um die Sehne herum eine der Gelenkschmiere ähnliche Gleitflüssigkeit. Teilweise erstrecken sich die Sehnenscheiden von der Handwurzel bis zur Fingerspitze, also bis zum Ansatz der Beugesehnen,

69

oppónere (lat.) – gegenüberstellen; póllex (lat.) – Daumen.

Fingerstreckmuskulatur. Auf der Streckseite der Hand haben wir – außer verschiedenen Daumenmuskeln für dessen Streckung, Wegführung und Heranführung – einen gemeinsamen Fingerstrecker, dessen unterteilter Muskelbauch sich am Unterarm in vier Köpfe aufspaltet und mit vier langen Sehnen an die dreigliedrigen Finger herangeht. Die Sehnen kann man gut am Handrücken erkennen und tasten. Dabei ist unter Umständen auch zu sehen, daß zwischen den Sehnen kurz vor den Fingergrundgelenken schräge Verbindungen bestehen (Abb. 3/34). Diese erzwingen, je nach ihrer Anordnung, bei der Streckung eines Fingers das Mitgestrecktwerden des einen oder beider Nachbarn; meist nimmt so der 4. Finger seine Nachbarn mit. Dagegen können der Zeige- und der Kleinfinger immer für sich gestreckt werden, weil jeder außer dem Anteil am gemeinsamen Fingerstrecker noch einen eigenen Streckmuskel besitzt. Die Hand als eines der wichtigsten Organe des kulturschaffenden Menschen („Handlungen“ nennen wir alle seine Tätigkeiten) ist, wie wir sahen, mit einer reichen und fein differenzierten Muskulatur versehen. Besonders der Daumen mit der für den Menschen so wesentlichen Oppositionsmöglichkeit hat eine große Zahl von Eigenmuskeln (neun Muskelindividuen mit speziellen Funktionen sind um ihn gruppiert). Um aber die Finger möglichst dünn zu halten und um sie trotzdem mit Kraft bewegen zu können, ist die Muskulatur an Mittelhand und Unterarm verlegt, und nur ihre Sehnen gehen an die Finger heran (wenn wir uns also in den Finger

Bewegungsapparat der unteren Gliedmaßen 237 Abb. 3/35: Rechter Oberschenkelknochen von vorne (links) und hinten (rechts). a – Kopf, b – Hals, c – großer Rollhügel, d – kleiner Rollhügel, e – Schaft mit Rauhigkeit für Muskelansätze (f), g – innere, h – äußere Gelenkrolle, zwischen welchen vorne die Gleitfläche (i) für die Kniescheibe liegt.

schneiden, schneiden wir uns nicht in „Fleisch“, da dort nur Haut und Sehnen liegen). Da nun diese Muskeln, besonders die langen Beuger, die z. T. noch vom Oberarm her kommen, eine ganze Reihe von Gelenken überspringen, haben sie bei Beugung sämtlicher übersprungenen Gelenke keine Verkürzungsgröße und Kraft mehr; deshalb ist es leicht, jemand anderem einen Gegenstand zu entwinden, den er bei gleichzeitiger Beugung im Ellbogen und Handgelenk mit den Fingern umfaßt (aktive Beugeinsuffizienz).

3.4 Bewegungsapparat der unteren Gliedmaßen 3.4.1 3.4.1.1

Bereich der Hüfte Knochen und Gelenk

Der Oberschenkelknochen, Femur70, ist der stärkste und größte Knochen des menschlichen Körpers; er variiert in der Länge am meisten von allen Körperknochen. So erscheinen große Menschen, die sehr lange Oberschenkel haben, im Sitzen relativ klein; im Gegensatz hierzu sieht man sitzenden Personen mit kurzen Oberschenkeln ihre relativ geringe Körpergröße nicht an. Der Oberschenkelkopf (Abb. 3/35) ist durch seinen Hals schräg mit dem Oberschenkelschaft verbunden. Seitlich geht vom Schaft nach oben der große Rollhügel (Trochanter major71) als Muskelansatz ab; er ist gut unter der Haut als seitlichster Punkt der Hüftgegend zu tasten. Unter dem Hals liegt am Schaft, nach innen und etwas nach hinten stehend der kleine Rollhügel

70 71

fémur (lat.) – Oberschenkel. trochánter (gr. u. lat.) – Rollhügel, von trochós (gr.) – Rad

(Trochanter minor) als Befestigung für den Hauptbeugemuskel der Hüfte (Abb. 3/38). Unten endet der Oberschenkel mit zwei mächtigen Gelenkrollen, zwischen welchen eine hinten besonders tiefe Einkerbung liegt (s. Kniegelenk). Das Hüftgelenk (Articulatio coxae). In die Gelenkpfanne des Beckens (Abb. 3/14, S. 216) ist der Oberschenkelkopf eingelassen (Abb. 3/ 36) und wird mehr als zur Hälfte von ihr und ihrer bindegewebigen Gelenklippe umfaßt (sog. Nußgelenk), was ihm einen sicheren Halt gibt. Das Hüftgelenk hat besonders starke Hemmungsbänder, die aus der normalen Standstellung eine Rückbeugung um mehr als 7-10° verhindern. Sie gehen vom Umfang der Pfanne aus und verlaufen meist schraubenförmig so um den Hals, daß sie bei Streckung straff, bei Beugung schlaff werden (Abb. 3/37). Bei extremer Beugung, die bis ca. 150° möglich ist, werden die Bänder in umgekehrter Richtung wieder straff.

238 Bewegungsapparat

Abb. 3/36: Röntgenbild des Beckens und der Hüfte einer 50jährigen Frau, Ausschnitt (vgl. Abb. 3/17, S. 218). Beachtenswert die Spongiosa-Architektur speziell des Oberschenkels (vgl. Abb. 2/22, S. 133). Aufnahme Prof. Dr. BÜRKLE, Donaueschingen.

Bewegungsapparat der unteren Gliedmaßen 239

3.4.1.2

Abb. 3/37: Die Bänder des rechten Hüftgelenks von vorne, die miteinander (ungefähr) den Buchstaben N bilden.

Bei Rückbeugung (Streckung) werden sie straff und pressen den Oberschenkelkopf in die Pfanne und fixieren das Gelenk. So können wir mit rückgebeugtem Oberkörper „in den Bändern“ bequem stehen, ohne daß dafür Muskulatur beansprucht wird, im Gegensatz zur sog. militärischen Haltung. Durch diese Fixierung ist auch eine Spreizung der Beine in Streckstellung weitgehend gebremst. Erst bei gebeugtem Hüftgelenk ist eine Abspreizung in vollem Umfang möglich (Spagat; hierbei muß das Becken stark nach vorne gekippt werden). Zur Ausrenkung (Luxation) im Hüftgelenk bedarf es erheblicher Kräfte, die meist nur über eine am ganzen Bein angreifende Hebelwirkung erzielt werden. Bei angeborener Hüftausrenkung, die bei Mädchen etwa achtmal so häufig ist wie bei Knaben, bildet sich im Laufe der Zeit an der Außenseite der Darmbeinschaufel oberhalb der eigentlichen, zu kleinen Hüftpfanne eine neue, aber minderwertige Gelenkpfanne aus.

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73

psóa (gr.) – Lende; der M. psoas ist beim Schlachttier das Filetstück. früher glutaéus, von glutós (gr.) – Hinterbacke; máximus (lat.) – sehr groß.

Muskeln

Als Beuger am Hüftgelenk kommt vor allem der M. iliopsoas, der Hüftlendenmuskel, (Abb. 3/ 38) in Frage. Er besteht aus zwei Teilen: Der M. psoas72, der Lendenmuskel, entspringt von den Seiten der Lendenwirbel und des letzten Brustwirbels; die beiden Lendenmuskeln liegen an den Seiten der Wirbelsäule und bilden damit einen Teil der Bauchhöhlenrückwand. Der M. iliacus, der innere Hüftmuskel, entspringt von der Innenseite der Darmbeinschaufel. Die vereinigten Teile gehen zusammen unter dem Leistenband (s. S. 223) hindurch und vor dem Hüftgelenk vorbei nach abwärts zum kleinen Rollhügel des Oberschenkelschaftes. Bei einer Lähmung dieses Muskels ist das Anheben des Beines (z. B. beim Treppensteigen) nicht mehr möglich trotz mancher Muskeln, die, vor dem Hüftgelenk liegend, die Beugung unterstützen. Zu ihnen zählen die vorderen Anzieher, der gerade Oberschenkelmuskel (die weiter unten besprochen werden) und der M. sartorius, der Schneidermuskel (Farbtafel 3, S. 220). Dieser zieht vom vorderen oberen Darmbeinstachel schräg über die Vorderseite des Oberschenkels und an der Innenseite des Knies entlang zum Schienbein. Er kann als schwacher Muskel nur unter Mithilfe von anderen die Beinhaltung wie beim Schneidersitz bewirken. Der wichtigste Strecker am Hüftgelenk ist der M. gluteus maximus73, der große Gesäßmuskel (Farbtafel 4, S. 221). Er entspringt von der hinteren Außenseite des Darmbeins, vom Kreuz- und Steißbein sowie vom Sitzbeinknorren-Kreuzbeinband. Als mächtig dickes Muskelpaket verläuft er schräg nach außen abwärts und befestigt sich an dem Kamm, der unter den beiden Rollhügeln an der Hinterseite des Oberschenkelbeins liegt. Er ist nicht nur bei der Aufrichtung in der Hüfte aus gebeugter Stellung notwendig, sondern auch für die Aufrechthaltung; er kommt deswegen nur beim Menschen in dieser Stärke vor. Außerdem ist er der Hauptmuskel für die Rückführung des Beines beim Gehen und Steigen. Beim Treppensteigen hat er die Aufgabe, mit der Durchstreckung der Hüfte das Körpergewicht in die Höhe zu heben. Wenn er auch von anderen Muskeln (die ischiocrurale Gruppe, s. S. 244) unterstützt wird, so können ihn diese doch nicht ersetzen. Eine ebenfalls wichtige Aufgabe für das Gehen haben die Mm. gluteus medius und minimus,

240 Bewegungsapparat

Abb. 3/38: Die Lage des Hüftlendenmuskels (M. iliopsoas; hellrot dargestellt), des stärksten Beugers am Hüftgelenk. Rot-schwarz: Quadratischer Lendenmuskel (M. quadratus lumborum).

Abb. 3/39: Die Anzieher (Adduktoren; Mitte) und Spreizer (Abduktoren; seitlich) des Hüftgelenks. a – Mm. gluteus medius und minimus, b – M. pectineus, c – M. adductor brevis, d – M. adductor longus, e – M. adductor magnus. (Nach MOLLIER.)

die beiden kleinen Gesäßmuskeln, die einander überlagernd von der Außenseite der Darmbeinschaufel entspringen und an den großen Rollhügel herangehen. Sie können die Beine seitwärts spreizen (abduzieren; die Muskeln wirken als Abductoren74). Von größerer Bedeutung ist aber, daß sie beim Gehen das Becken auf dem Standbein waagerecht halten, während das andere Bein als Spielbein nach vorne durchschwingt, also keine Bodenunterstützung hat (Abb. 3/39).

Bei ihrem Ausfall kommt es zum Watschelgang, weil dann jeweils die Hüftseite des Spielbeins durch die Last des aufsitzenden Rumpfes und anhängenden Beins nach unten kippt. Wird danach das Spielbein zum Standbein, dann sinkt sofort die andere Seite nach unten, sofern deren kleine Gesäßmuskeln ebenfalls gelähmt sind. In den mittleren Gesäßmuskel werden gewöhnlich Arzneimittel injiziert.

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ab (lat.) – weg, fort; ducere (lat.) – führen. addúcere (lat.) – heranführen.

Das Heranführen der Beine zum Schenkelschluß (z. B. beim Skilaufen und beim Reiten) besorgen die auf der Innenseite des Schenkels gelegenen Anzieher (Adductoren75, Abb. 3/39), die in mehreren kürzeren und längeren Muskelindividuen vom Unterrand des Beckens entspringen und mit ihren Ansätzen die Hinterseite des Oberschenkels von oben bis unten besetzen.

Bewegungsapparat der unteren Gliedmaßen 241

3.4.2 3.4.2.1

Kniebereich Knochen und Gelenk

Das Kniegelenk (Articulatio genus) ist nicht nur ein großes, sondern auch ein kompliziert gebautes Gelenk, obwohl es nur von zwei Knochen gebildet wird (Abb. 3/40). Es beteiligen sich daran der Oberschenkelknochen (Femur) mit seinen beiden Gelenkrollen (Condylen76) und das Schienbein (Tibia) mit seiner Gelenkfläche, die durch eine von vorne nach hinten verlaufende breite Erhebung, den Schienbeingrat, in zwei nahezu ebene Plattformen geteilt wird. Das Wadenbein (Fibula) dient nur als Ansatz für ein Seitenband! Im Kniegelenk ist neben der bekannten Beugeund Streckbewegung um eine querverlaufende Scharnierachse noch eine Drehung (Rotation) des Unterschenkels um seine Längsachse möglich. Diese wird allerdings durch die noch zu erwähnenden Bänder in der Streckstellung verhindert, ist also nur in der Beugestellung ausführbar. Je mehr sich die Beugung dem rechten Winkel nähert, desto ausgiebiger ist die Drehung möglich und beträgt dann nach außen ca. 40°, nach innen 15-20° 77. Sie ist günstig für das Gehen und besonders das Bergsteigen, um den aufsetzenden Fuß an Bodenunebenheiten anzupassen. Andererseits gibt die Drehbehinderung bei gestrecktem Knie dem Bein eine besondere Standfestigkeit, die vorwiegend bandgesichert ist und nur weniger Muskeln zur Fixierung bedarf (s. auch S. 246). Es ist ein Charakteristikum für den Menschen gegenüber den Vierbeinern, daß er mit gestreckten Knien zu stehen pflegt und sie auch beim Gehen nur für kurze Momente streckt. Auch den Vierbeinern ist eine Streckung möglich, sie führen diese aber nur beim kräftigen Abspringen oder beim Sichstrecken aus. 76

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cóndylus (lat.) – Gelenkfortsatz; von kóndylos (gr.) – Fingerknöchel, geballte Hand, Faust. Man kann das Rotationsausmaß am besten darstellen, indem man den einen Fuß so erhöht stellt, daß Unter- und Oberschenkel einen rechten Winkel bilden; dann hüpfe man auf dem anderen Fuß zuerst nach der einen, dann nach der anderen Seite um den stehenden Fuß herum. méne (gr.) – Mond; meniskós – Möndchen, Halbmond. Die dünne Keilschneide besteht z. T. aus Faserknorpel (s. S. 125), da sie unter dem Druck der Kondylen steht.

Die beiden Bewegungen werden durch die Bildung eines Doppelgelenks ermöglicht. Auf jeder der beiden Gelenkflächen des Schienbeins liegt ein nicht geschlossener Bandring, dessen freie Enden am Schienbeingrat befestigt sind (Abb. 3/41). Ihrer Form wegen heißt jedes dieser Zwischenstücke Meniskus78. An seinem äußeren Kreisumfang ist jeder Meniskus dick und mit der Gelenkkapsel, der innere Meniskus auch mit dem inneren Kollateralband (s. u.), verwachsen. Von außen nach innen wird er aber immer dünner, zeigt also im Querschnitt eine Keilform79. Der wadenbeinseitige Meniskus ist dreiviertelkreisförmig mit etwas kleinerem Radius als der innenseitige halbkreisförmige. Die beiden Menisken eines Kniegelenks dienen als Gelenkpfannen für die beiden Kondylen des Oberschenkels, wodurch in der oberen Abteilung des Kniegelenks das Scharniergelenk für die Beugung und Streckung gebildet wird. Da die Menisken aber auf der Schienbeinoberfläche – abgesehen von ihrer Befestigung am Schienbeingrat – verschiebbar sind, kann in der unteren Abteilung des Kniegelenks die Drehung von Schienbein gegen Oberschenkel stattfinden. Die beiden Kondylen des Oberschenkels sind schmale, walzenähnliche Körper mit in Querrichtung ebenfalls konvexer Oberfläche (Abb. 3/35). Sie würden jeweils nur mit einem Punkt die Schienbeinoberfläche berühren, wenn sich nicht unter dem Druck der Belastung die Kontaktpunkte wegen ihrer bis 5 mm dicken und druckelastisch wirkenden Knorpelüberzüge zu kleinen Kontaktflächen verbreiterten. Eine weitere Vergrößerung der Kontaktflächen findet durch die Menisken nur unwesentlich statt, denn deren Höhlung wird nur in Streckstellung ganz ausgefüllt; in anderen Stellungen berühren sich Oberschenkelkondylen und Menisken nur zum Teil, da die Krümmungsradien der Kondylen nicht durchweg gleich sind, sondern von vorne nach hinten abnehmen (Abb. 3/42). In den bei der Beugung vorne zwischen Kondylen und Menisken freiwerdenden Raum treten die fettgewebsreichen Gelenkfalten ein. Alle Bewegungen im Kniegelenk werden durch 4 starke Bänder geführt und gesichert. Wie jedes Scharniergelenk hat auch das Knie Seitenbänder (Kollateralbänder), die wegen ihrer Lage zur veränderlichen Scharnierachse (Abb. 3/42) nur in Streckstellung gestrafft sind und somit eine Überstreckung wie auch die Drehung des Unterschenkels verhindern. In Beugestellung

242 Bewegungsapparat

Abb. 3/40a: Röntgenbilder des Kniegelenks, links von der Seite (transversal), rechts von vorne (sagittal). Beachte die normal-hohe Lage der Kniescheibe! Der große Abstand zwischen Oberschenkel und Schienbein ist nicht durch den Gelenkspalt, sondern durch die Gelenkknorpel und Meniski bedingt, die im Röntgenbild nicht darstellbar sind. Aufnahmen Prof. Dr. BÜRKLE, Donaueschingen.

erschlaffen sie und ermöglichen dann die Drehung so weit, bis sie wieder gespannt sind. In jeder Stellung des Kniegelenks sind aber Teile der beiden zentral gelegenen Kreuzbänder (Ligamenta cruciata) straff (Abb. 3/41 und 3/43). Sie sind hintereinander am Oberschenkelknochen in der Rinne zwischen den Kondylen befestigt und ziehen, sich überkreuzend, nach vorne und hinten zum Mittelgrat des Schienbeins. Durch diese Anordnung verhindern sie ein seitliches Abknicken wie ein Abgleiten des Oberschenkels vom Schienbein nach vorne, nach hinten oder nach den Seiten, selbst wenn in Beugestellung die Seitenbänder erschlafft sind. Und so ist dann die Drehung des Unterschenkels um diese zentrale Befestigung gesichert. Bei Überstreckung im Kniegelenk (z. B. Fehlstoß im Fußballspiel) oder bei seitlicher Abknickung des gestreckten Knies (häufige Skisportverletzung) kann es daher zu Rissen der Seitenbänder oder zum Zusammenpressen der Menisken, auch des Fettkörpers kommen. Reißt dabei ein Stück eines Meniskus oder des Fettkörpers ab, dann ist ein freier Körper

(Corpus liberum, „Gelenkmaus“) im Kniegelenk, der sich immer wieder irgendwo schmerzhaft einklemmen kann; gegebenenfalls muß der ganze Meniskus entfernt werden. Aus dem in die dann verbleibenden Lücken einwachsenden, zunächst lockeren Bindegewebe bildet sich meist nach einiger Zeit infolge der durch Kniebewegungen auftretenden Zugund Druckverhältnisse ein neuer, funktionsfähiger Meniskus. Der Kniegelenkspalt reicht vorne zwischen Kniescheibe und Oberschenkelknochen gut handbreit weit nach oben (Abb. 3/44) und kann bei einem Erguß mächtig angefüllt werden. In der Kniegegend liegen einige Schleimbeutel (s. S. 496); das sind mit klebriger Flüssigkeit, ähnlich der Gelenkschmiere, gefüllte Bindegewebstaschen zum Schutz gegen Druck und Reibung. Hinter und vor dem Ansatz der Kniescheibensehne des vierköpfigen Streckers (s. u.) sowie vor der Kniescheibe selbst liegt je ein solcher Schleimbeutel, die alle bei häufigem Knien entzündlich erkranken können und dann sehr schmerzhaft sind. Die oberen Enden der beiden Oberschenkelschäfte haben einen großen Abstand voneinander, da einmal die Hüftgelenkspfannen außen am Becken liegen, zum anderen auch der Schaft noch durch den Oberschenkel-

Bewegungsapparat der unteren Gliedmaßen 243

Abb. 3/40 b: Kernspin-Tomographien (Nuclearmagnetische Resonanz = NMR; die Technik ist auf S. 616 erklärt) des Kniegelenks. Diese Technik stellt außer den Skelettstrukturen auch Bänder, Sehnen, Muskeln und andere Weichteile dar. Eventuelle pathologische Abweichungen sind aufgrund des guten Auflösungsvermögens des Verfahrens, das im mm-Bereich liegt, gut erkenn- und beurteilbar. – Links: Linkes Knie in sagittaler Schnittebene, die u. a. durch das vordere Kreuzband und die vordere große Gelenkfalte führt. Die Kniescheibe und die Epiphysen von Femur und Tibia erscheinen hell, die Epiphysenfugen dunkel, Muskeln sind dunkelgrau. Rechts: NMR-Schnittbild durch das linke Knie in ziemlich medianer Frontalebene. Beurteilbar sind u. a. die dreieckig „angeschnittenen“ Menisken (fast schwarz), die Dicke der Gelenkknorpel und die Kreuzbänder. Aufnahmen Priv.-Doz. Dr. K. KÜPER, Bühl.

hals vom Kopf abgespreizt ist. Die Knie berühren sich aber wieder, und die Unterschenkel sind nahezu parallel. Der Mensch hat dadurch auch bei äußerlich geraden Beinen im Hinblick auf das Skelett X-Beine, was aber durch die Weichteile ausgeglichen wird. Beim weiblichen Geschlecht ist die X-Beinstellung wegen der größeren Beckenbreite und der kürzeren Oberschenkel stärker als beim männlichen. Bei dieser normalen („physiologischen“) X-Beinstellung des Skeletts ruhen die Femurkondylen mit gleichem Druck auf beiden horizontalen Tibiagelenkflächen. Beim äußerlich sichtbaren (pathologischen) X-Bein (Genu valgum80), bei dem die Füße im Stand nicht zur Berührung 80

81

génus (lat.) – Knie; válgus (lat.) – nach auswärts gedrehte Waden habend, säbelbeinig. várus (lat.) – auswärts gebogen, auseinander gebogen, krummbeinig.

gebracht werden können, sowie beim pathologischen O-Bein (Genu varum81), bei dem die Knie sich im Stand nicht berühren, kommt es durch ungleiche Druckverteilung auf die Kondylen mit der Zeit zur Gelenkschädigung.

3.4.2.2

Muskeln

Als Strecker am Kniegelenk wirkt nur der M. quadriceps femoris, der vierköpfige Oberschenkelmuskel, dessen längster Kopf, der M. rectus femoris, als gerader Oberschenkelmuskel schon erwähnt wurde, da er vom unteren Stachel des Darmbeins entspringt, über die Hüftgelenkpfanne läuft und daher auch am Hüftgelenk beugen kann. Die anderen drei Köpfe kommen als Mm. vasti femoris, breite Oberschenkelmuskeln, vom Oberschenkelknochen selbst (Farbtafel 3, S. 220). Alle vier Köpfe gehen mit einer gemeinsamen Sehne vor dem Kniegelenk vorbei an einen Hök-

244

Bewegungsapparat

Abb. 3/41: Rechtes Kniegelenk von oben bei Strekkung (links) und Beugung (rechts); man beachte die Verschiebung der beiden Menisken. Das vordere und das hintere Kreuzband sind abgeschnitten. Abb. 3/42: Darstellung der Verschiebung der Menisken und der Lockerung der Seitenbänder bei der Beugung sowie der Krümmungsradien der Oberschenkelkondylen.

ker an der Vorderseite des Schienbeins, der unter der Haut gut tastbar ist: Rauhigkeit des Schienbeins, Tuberositas tibiae. In die Sehne ist an ihrer Umlenkungsstelle vor dem Femurende ein Sesambein eingelagert, die Kniescheibe (Patella82, vgl. Abb. 3/42 und 3/44). Sie ist auf ihrer Rückseite knorpelüberzogen, wodurch der auf die Sehne hier wirkende Druck aufgefangen wird. Der stärkste Druck tritt bei der Kniebeuge, vor allem beim Aufspringen auf. Dann muß der Muskel mit der Kniescheibe den in Richtung der schräg nach vorne abfallenden Schienbeinoberflächen auftretenden Schub des Oberschenkels auffangen. Außerdem hebelt die Patella die Sehne ab und gibt ihr einen besseren Ansatzwinkel, so daß der Muskel auch bei gestrecktem Knie eine kraftvolle Wirkung ausüben kann (Abb. 2/65, S. 199). Sie dient jedoch keineswegs zum Schutze des Kniegelenks, dafür liegt sie zu hoch, denn ihre unterste Spitze reicht gerade eben bis zur Höhe des Gelenkspaltes (Abb. 3/40); sie kann diesen also vor Einwirkungen von außen nicht schützen. Auch dient sie nicht der Streckhemmung, denn diese wird, wie schon erwähnt, durch die Bänder besorgt. Bei aktiver Streckung im Kniegelenk durch den M. quadriceps werden aber die Fettkörperfalten und die Menisken durch Faserzüge von der Patella nach vorne gezogen, wodurch deren Einklemmen verhindert wird.

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patélla (lat.) – Schüssel. Os ischii, Sitzbein; crus (lat.) – Schenkel, Unterschenkel.

Die drei Hauptbeuger am Kniegelenk kommen vom Sitzbein und ziehen, an der Hinterseite des Oberschenkels liegend, zum Unterschenkel als sog. ischiocrurale83 Muskelgruppe. Die beiden inneren dieser Muskeln, M. semimembranosus und M. semitendinosus, der halbhäutige und der halbsehnige Muskel, gehen an das Schienbein und können bei gebeugtem Knie auch den Unterschenkel einwärts drehen; der äußere, M. biceps femoris, der zweiköpfige Oberschenkelmuskel (der einen langen, vom Sitzbeinknorren kommenden und einen kurzen, vom Femur entspringenden Kopf hat), geht an das Wadenbein und kann auch den gebeugten Unterschenkel auswärts drehen. Man fühlt die Sehnen dieser Muskeln, besonders bei ihrer Anspannung, deutlich als Begrenzung der Kniekehle. Weil die ischiocrurale Muskelgruppe gleichzeitig am Hüftgelenk strecken und am Kniegelenk beugen kann, wird sie stark gespannt, wenn man mit durchgestreckten Knien in der Hüfte beugen will. Dieses Rumpfvorwärtsbeugen bei gestreckten Knien wird durch die ischiocruralen Muskeln gebremst und nur bei biegsamer Lendenwirbelsäule kann man mit den Fingern oder gar der Handfläche den Boden erreichen (passive Insuffzienz). Andererseits kann bei gestrecktem Hüftgelenk der Unterschenkel im Knie nicht in vollem Umfang gebeugt werden, weil die Verkürzungsgröße der Muskeln hierfür nicht ausreicht (aktive Insuffizienz).

Bewegungsapparat der unteren Gliedmaßen 245

Links: Abb. 3/43: Rechtes Kniegelenk in Beugestellung von vorne, eröffnet zur Darstellung der Menisken, der Kreuz- und Seitenbänder. (Nach BENNINGHOFF.) Rechts: Abb. 3/44: Schematischer sagittaler Längsschnitt durch das Kniegelenk zur Darstellung der Ausdehnung des Gelenkspaltes (schwarz), der Lage der Kniescheibe zum Gelenk und der Schleimbeutel (a: Bursae synoviales). (Vgl. mit Abb. 3/40b.)

3.4.3 3.4.3.1

Bereich von Unterschenkel und Fuß Knochen, Gelenke und Fußwölbung

Das Schienbein (Tibia84 ), dessen oberes plattformartiges Gelenkende wir bereits kennengelernt haben (s. S. 241), hat einen im Querschnitt dreieckigen Schaft, der mit seiner Vorderkante und Innenseite direkt unter der Haut ohne schützende Muskelumhüllung liegt. Beim Anstoßen des Schienbeins wird die empfindliche Knochenhaut besonders dadurch so schmerzhaft gereizt, daß die scharfe Schienbeinkante einen unnachgiebigen Widerstand leistet. Bei heftigem Aufschlagen kann sie sogar die darüberliegende Haut durchschneiden. Das untere Ende des Schienbeins ist etwas verbreitert und hat auf der Fußinnenseite einen starken Fortsatz nach abwärts, den Schienbeinknöchel (Malleolus85 tibiae). Dieser wird auf der Fußaußenseite durch das verdickte Ende des Wadenbeins, den Wadenbeinknöchel (Malleolus fibulae), zu einer Knöchelgabel ergänzt (Abb. 3/45). Das Wadenbein (Fibula86) ist von außen hinten dem Schienbein angelegt, reicht nicht bis zum Kniegelenk hinauf und ist von Muskeln eingehüllt. Zwischen Schien- und Wadenbein erstreckt sich wie

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Aus den Schienbeinen verschiedener Tiere wurden im Altertum Flöten (tibia, -ae; lat.) hergestellt. malléolus (lat.) – Hämmerchen. fíbula (lat.) – Nadel, vgl. deutsch Fibel.

Abb. 3/45: Sprunggelenke. Das obere Sprunggelenk (links) liegt zwischen Schien- und Wadenbein einerseits und dem Sprungbein andererseits. Das untere Sprunggelenk (rechts) liegt zwischen dem Sprungbein einerseits und dem Fersen- und dem Kahnbein andererseits. Diese beiden sind unten durch das Pfannenband verbunden.

246 Bewegungsapparat

Abb. 3/46: Röntgenbild des Fußes mit teilweiser Darstellung der Weichteile, Schrägaufnahme. Aufnahme Prof. Dr. BÜRKLE, Donaueschingen.

beim Unterarm eine sehnige Zwischenknochenmembran (Membrana interossea) als Ursprungsfeld für einige Unterschenkelmuskeln. Die beiden Knöchel sind durch starke Bänder fest, aber federnd miteinander verbunden. Das obere Sprunggelenk. In der Knöchelgabel liegt die Rolle (Trochlea) des Sprungbeins (Talus87), wodurch das obere Sprunggelenk gebildet wird, in dem die Fußhebung und -senkung stattfindet (Abb. 3/45). Die Seitenbänder zur Führung und Hemmung dieses Scharniergelenks gehen von den Knöcheln teils an die Seiten des Sprungbeins, teils an andere Fußwurzelknochen. Die Sprungbeinrolle hat die Form eines Walzenausschnittes, doch sind ihre Seitenränder nicht parallel, sondern konvergieren nach hinten. Dadurch sitzt das Sprungbein und damit der ganze Fuß in gebeugter Haltung (plantar-Flektion88) locker und kann etwas zur Seite gekippt werden. In stark nach oben gebeugter 87

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talus (lat.) – Würfel. Bis zumTalus geht die lange Amtsrobe, der Talar. planta (lat.) – Fußsohle; flexio (lat.) – Krümmen, Beugen; hier: Beugen zur Fußsohle hin. dorsum (lat.) – Rücken; extensor (lat.) – Strecker; hier: Streckung zum Fußrücken hin. Wenn wir den Fußrücken anheben, entspricht dies anatomisch einer Streckung. Die entsprechenden Muskeln heißen demnach M. extensor ... Daher verwendet man zur Verdeutlichung den Begriff „dorsal-Extension“. Das im Turnunterricht oftmals geforderte „Strecken des Fußes“ ist eine Beugung, veranlaßt durch M. flexor ... und verdeutlicht im Begriff „plantar-Flektion“. zu calx (lat. ) – Ferse. sustentáculum (lat.) – Stütze.

Stellung (dorsal-Extension89) ist das Sprungbein aber fest eingeklemmt. 90 Der lockere Halt bei abwärtsgebeugtem Fuß erschwert z. B. den Spitzentanz; doch ist dies erforderlich, um beim Gehen dem nach vorne gestreckten Bein und Fuß zum Aufsetzen die Möglichkeit zu Ausgleichsbewegungen gegenüber Bodenunebenheiten zu lassen, besonders beim Gehen schräg zu einem Hang. Beim Abstoßen des Standbeins dagegen muß der Halt fest sein, was er dann nicht nur im Sprunggelenk, sondern auch im Knie (Streckstellung) und in der Hüfte (Streckstellung) ist. Umgekehrt ist das ganze Bein beim Auftreten gelockert. Die Einklemmung der Sprungbeinrolle bei maximaler Hebung des Fußes läßt allerdings eine weitere Seitenbewegung nicht zu. Wird nun der Unterschenkel gegen den Fuß seitlich abgebogen oder gedreht, dann sprengt das Sprungbein die Knöchelgabel auseinander, wobei einer oder beide Knöchel (Malleolen) brechen. Ein Knöchelbruch ist eine häufige Skisportverletzung, weil der Fuß dem sich beim Sturz drehenden oder seitlich kippenden Körper der Skier wegen, die als lange Hebel wirken, nicht folgen kann.

Das untere Sprunggelenk. Dem Sprungbein stehen im unteren Sprunggelenk das Fersenbein und das Kahnbein gegenüber (Abb. 3/45). Das Fersenbein (Calcaneus91) ist der größte Fußwurzelknochen (Abb. 3/46); es ragt weit nach hinten heraus und dient mit seinem Hinterrand dem starken dreiköpfigen Wadenmuskel zum Ansatz. An seiner Unterseite hat es zwei Hökker, die beim Stehen und Auftreten (durch Unterhautfettgewebe abgepolstert) belastet werden. Der lange, prismatische Fersenbeinkörper hat oben nach innen einen konsolenartigen Vorsprung (Sustentaculum92 tali ), der die Unterlage für das Sprungbein vergrößert. Dieses liegt nämlich nicht genau über dem Fersenbein, sondern

Bewegungsapparat der unteren Gliedmaßen 247

Abb. 3/47: Bildung der Fußwölbung aus zwei Strahlen. Der innere Strahl besteht aus dem Sprungbein (a), dem Kahnbein (b) und den drei Keilbeinen (c), an die sich die Mittelfuß- (d) und Zehenknochen (e) der 3 ersten Zehen anschließen. Der äußere Strahl besteht aus dem Fersen- (f) und dem Würfelbein (g), an das sich die Mittelfuß- und Zehenknochen der beiden äußeren Zehen anschließen. Die beiden Strahlen sind hinten einander aufgesetzt. Die Hauptbelastungspunkte des Fußes sind durch rote Punkte angegeben. (Zum Teil nach MOLLIER.)

liegt ihm etwas nach innen verschoben auf. Der nach vorn sehende Kopf des Sprungbeins hat keine knöcherne Unterlage mehr, berührt aber vorne das Kahnbein (Os naviculare93), eine von hinten her ausgehöhlte, dicke Knochenplatte. Die Gelenkpfanne für den Sprungbeinkopf wird durch ein starkes Band zwischen der Fersenbeinkonsole und der Kahnbeinunterseite vervollständigt, das deswegen den Namen Pfannenband (Ligamentum calcaneonaviculare) trägt (s. auch 93 94

navicularis (lat.) – kahnförmig; navis – Schiff. cuneus (lat.) – Keil.

weiter unten). Aus der Zusammenwirkung der Gelenke zwischen dem Sprungbein und dem Fersen- und Kahnbein ergibt sich das untere Sprunggelenk als ein Scharniergelenk, dessen Achse schräg von außen hinten nach vorne oben innen geht. In diesem Gelenk kann der Fuß so gedreht werden, daß sich der äußere bzw. der innere Fußrand nach oben bewegt, also Pro- bzw. Supination ausführt. Das Fußskelett. Von der Fußwurzel (Tarsus) sind bereits Sprungbein, Fersenbein und Kahnbein beschrieben. Vor dem Kahnbein liegen die drei Keilbeine (Ossa cuneiformia94). Bei dem

Abb. 3/48: Rechter Fuß mit Muskeln, Sehnen und Bändern von der Innenseite. a – Sehne des vorderen Schienbeinmuskels (M. tibialis anterior), b – Sehne des hinteren Schienbeinmuskels (M. tibialis posterior); c und e – Sehne des Großzehenbeugers (M. flexor hallucis longus); d – regelmäßig vorhandenes Sesambein, f – Plantaraponeurose; g – ein kurzer Fußmuskel als Beispiel, h – Pfannen- oder Plattfußband; i – Konsole des Fersenbeins für das Sprungbein, k – kurze Fußsohlenbänder, l – Achillessehne.

248 Bewegungsapparat

am Fußinnenrand gelegenen ist die Basis unten, die Keilschneide oben; bei den beiden anderen ist umgekehrt die Schneide nach der Fußsohle gerichtet, wodurch sie besonders am Bau der Querwölbung des Fußes beteiligt sind. Vor dem Fersenbein liegt das Würfelbein (Os cuboideum95 ). An jedes Keilbein schließt sich vorne ein Mittelfußknochen (Os metatarsale) an, an das Würfelbein die beiden äußersten. Die Verbindungen zwischen den genannten Knochen (Kahnbein, Keilbeine, Fersenbein, Würfelbein und Mittelfußknochen) sind echte, aber wenig bewegliche Gelenke, die über Bänder straff, aber doch etwas federnd gesichert werden. An die Mittelfußknochen schließen sich die Zehenknochen (Phalanges) an, deren Zahl und Bau denen der Finger entspricht. Wir haben also bei der Großzehe zwei, bei den kleinen Zehen drei Glieder. Während die Phalangen der Großzehe dem Boden anliegen, bilden die kleinen Zehen einen Bogen nach oben, indem sie in den Grundgelenken nach oben, in den Mittelund Endgelenken nach unten abgebogen sind (Abb. 3/46 und 3/48). Die Fußwölbung. Beim Fuß können wir zwischen einem äußeren Strahl – bestehend aus Fersenbein, Würfelbein und den beiden äußeren Zehen – und einem inneren Strahl – bestehend aus Sprungbein, Kahnbein, den Keilbeinen und den drei inneren Zehen – unterscheiden. Die beiden Strahlen liegen aber nur vorne nebeneinander, hinten jedoch übereinander; der ganze Fuß erscheint so um seine Längsachse verwunden. Dadurch hat nur noch das Fersenbein Bodenberührung und nur das Sprungbein Gelenkverbindung mit dem Unterschenkel (Abb. 3/47). Durch diese Aufdrehung (Supination96) des inneren Fußrandes in seinem hinteren Abschnitt ist die von der Innenseite zugängliche Nischenwölbung bedingt. Sie setzt sich zusammen aus einer am Innenrand höheren und am Außenrand flacheren Längswölbung sowie einer im Bereich der vorderen Tarsalia und der Metatarsalia von innen nach außen abfallenden Querwölbung. Die Fußwölbung ist kein echtes Gewölbe mit sprengendem Schlußstein und end-

95 96 97

cuboideus (lat.) – würfelförmig. supináre (lat.) – nach oben drehen. plánta (lat.) – Fußsohle; Aponeurosen sind flächige Sehnen; neuron (gr.) – ursprünglich: Sehne.

Abb. 3/49: Bildung der Fußwölbung durch Auswärtsdrehung (Supination) des hinteren Abschnitts. Einwärtsdrehung (Pronation) des vorderen Abschnitts und Zug des Großzehenstrahls zum Fersenbein; dargestellt am rechten Fuß von hinten. Die wichtigsten wölbungstragenden Muskeln: a – langer Großzehenbeuger (M. flexor hallucis longus), b – hinterer Schienbeinmuskel (M. tibialis posterior), c – Abspreizer der Großzehe (M. abductor hallucis), d – langer Wadenbeinmuskel (M. peroneus longus). (a, b und d sind die Sehnen der am Unterschenkel gelegenen Muskeln.)

ständigen Widerlagern (vgl. Abb. 3/15). Dadurch aber verleiht sie dem Fuß bei Belastung eine große Elastizität, die nicht vorhanden sein könnte, wenn er eine stabile Gewölbekonstruktion wäre oder völlig flach dem Boden aufliegen würde. Das Gewölbe ist schon bei geringem Plattoder Spreizfuß vermindert. Der Fuß hat zwei hauptsächliche Bodenberührungsflächen: das Fersenbein und die Enden (Köpfchen) der Mittelfußknochen. Dort ist die Haut durch kräftige Baufettkörper zu Ballen abgepolstert. Der Belastungsdruck an den Zehenballen fällt von der Großzehe zur Kleinzehe hin ab (Abb. 3/50). Die Fußwölbung wird durch Bänder verspannt. Das zuvor erwähnte Pfannenband vervollständigt nicht nur die Pfanne des Fersen- und Kahnbeins für den Sprungbeinkopf, es trägt diesen auch und hält Fersen- und Kahnbein im richtigen Abstand zusammen (Abb. 3/ 45). Zahlreiche kürzere und längere Bänder verbinden und verspannen an der Fußsohlenseite die einzelnen Knochen. Dazu kommt noch eine fächerförmige Sehnenplatte (Plantaraponeurose97), die sich vom Fersenbein zu den Grundgliedern der Zehen er-

Bewegungsapparat der unteren Gliedmaßen 249

Abb. 3/50: Normale und abnorme Fußformen. Von links nach rechts: normaler Fuß, Knick-Senkfuß, Spitzfuß; normaler Fuß, Knickfuß, Klumpfuß. Darunter deren Abdrücke, wobei die Stellen gleichen Drucks durch Linien verbunden sind. (Zum Teil nach BENNINGHOFF , zum Teil nach L ANZ-WACHSMUTH .)

streckt, und so die über ihr befindliche Wölbung verspannt. Sie ist nach oben durchgebogen, gehalten von den von ihr entspringenden kurzen Zehenbeugern (Abb. 3/48). Die Bänder sind nur relativ kurzfristig, nicht auf die Dauer belastbar. Bei Dauerbelastung, so bei vielem Stehen und auch bei häufigem Tragen schwerer Lasten, werden sie im Rahmen ihrer Umbauvorgänge (s. S. 116) mit der Zeit länger. Wenn das Pfannenband auf diese Weise verlängert wird, weichen Fersenbeinkonsole und Kahnbein auseinander und der Sprungbeinkopf sinkt zwischen ihnen ein (Senkfuß). Mit diesem Vorgang ist auch ein Einwärtskippen des Fersenbeins verbunden, d. h., die Verwindung des Fußes wird verringert (Knickfuß, Pes valgus98; Abb. 3/50), so daß letztlich der Plattfuß (Pes planus) entsteht. Wegen dieser wichtigen Tragefunktion wird das Pfannenband auch als „Plattfußband“ bezeichnet. Auf die Lockerung der Bänder reagieren die Knochen ebenfalls mit Umbau, so daß sie in der veränderten Lage weiterhin miteinander in Kontakt stehen. Von ausschlaggebender Bedeutung für die Erhaltung der Wölbung sind die Muskeln. Sie reagieren beim Auftreten und Aufspringen reflektorisch durch Kontraktion und entlasten damit die nur kurzfristig beanspruchbaren Bänder. Bei ruhigem Stehen und in festen Schuhen bleibt die Muskulatur unkontrahiert und die ganze Last des Körpers ruht allein auf den Bändern. Als Erhalter der Fußwölbung sind alle Muskeln anzusehen, die den hinteren Fußabschnitt auswärts 98 99 100

válgus (lat.) – säbelbeinig. hállux, gen. hállucis (lat.) – Großzehe. peróne (gr.) – Nadel, dasselbe wie lat. fibula.

und den vorderen einwärts drehen (Abb. 3/49). Der wichtigste ist der M. flexor hallucis99 longus, der lange Großzehenbeuger, dessen Muskelbauch an der Unterschenkelrückseite liegt. Seine Sehne verläuft unter der Fersenbeinkonsole nach vorne und richtet damit das Fersenbein auf der Innenseite auf. Danach geht die Sehne an die Großzehe heran und zieht diese abwärts und zugleich in Richtung auf das Fersenbein. Die Sehne des M. tibialis posterior, des hinteren Schienbeinmuskels, liegt unter dem Pfannenband, damit den Sprungbeinkopf tragend. Sie geht davor an die drei Keilbeine heran, diese von unten verklammernd. Der M. abductor hallucis, der Abspreizer der Großzehe, liegt zwischen der Innenseite des Fersenbeins und der Großzehe; er kann beide, die Wölbung verstärkend, einander nähern. Die zu den einzelnen Zehen gehenden kurzen Beuger entspringen von der Unterseite der gewölbten Fußwurzel und zugleich von der Plantaraponeurose, beide verspannend. Die Querwölbung wird von der Sehne des M. peroneus100 longus, des langen Wadenbeinmuskels, und dem davor ebenso schräg an der Fußsohle verlaufenden M. adductor hallucis, dem Heranzieher der Großzehe, zusammengehalten.

Die Kräftigung dieser Muskulatur ist schon in der Jugend wichtig für die Gesunderhaltung des Fußes. Sie erfolgt am besten durch Barfußlaufen auf unebenem Boden, etwa Gras oder Kiesboden, weil sich dann die Zehen zum Haltfinden kräftig in den Boden einkrallen. Auch Zehenspitzengang (ohne Unterstützung durch hohe Absätze!) oder Laufen in Sportschuhen sind geeignet.

250 Bewegungsapparat Ein bereits deformierter Fuß kann allerdings durch Muskeltraining nicht mehr gesunden, weil der erwähnte Knochenumbau sich nicht mehr zur Norm verändern läßt. Doch läßt sich eine weitere Verschlechterung dadurch aufhalten. Ist die Fußwölbung zu stark ausgebildet und erstreckt sich auch auf den Außenrand, spricht man vom Hohlfuß (Pes cavus). Nachgeben der Querwölbung führt zum mit einem Senkfuß verbundenen Spreizfuß. Bei ihm werden vor allem die Ballen der schwächer gepolsterten mittleren Zehen belastet.

3.4.3.2

Muskeln

Auf der Vorderseite des Unterschenkels liegen drei lange Muskeln, die zum Fußrücken und den Zehen gehen (Farbtafel 3, S. 220). Der M. tibialis anterior, der vordere Schienbeinmuskel, setzt an der Innenseite des Kahnbeins an. Er zieht diesen Knochen und damit den inneren Fußrand vor dem Wölbungsscheitel nach oben, was die Wölbung nicht stützt. Als hauptsächlicher Heber = Strecker des Fußes ermüdet er am frühesten bei längerem Bergaufwärtsgehen. Neben ihm liegt in der Tiefe der M. extensor hallucis longus, der lange Großzehenstrecker, und ganz außen der M. extensor digitorum longus, der gemeinsame Zehenstrecker, der mit vier Endsehnen an die kleinen Zehen zieht. Die bereits am Unterschenkel beginnenden Sehnen werden durch ein starkes Band, das vor ihnen über den Sprunggelenken liegt und seitlich an den Knöcheln befestigt ist (s. Farbtafel 3, S. 220), am Fuß gehalten, sonst würden sie bei Kontraktion der Muskulatur die Fußrückenhaut wie eine Schwimmfalte nach vorne ausziehen. Diese Zehenstrecker heben den äußeren Fußrand im Gegensatz zum vorderen Schienbeinmuskel. Alle drei Muskeln haben aber die Hebung der Fußspitze gemeinsam.

aber durch Lähmung bedingt; häufig kommt er auch angeboren vor, wobei diese Anomalität erblich ist. Sie kann vielfach durch orthopädische 104 Maßnahmen ausgeglichen werden. An der Unterschenkel-Außenseite, dem Wadenbein parallel, liegen der M. peroneus longus und der M. peroneus brevis, der lange und der kurze Wadenmuskel. Ihre Sehnen umlaufen dorsal den Wadenbeinknöchel. Die Sehne des langen Wadenmuskels „unterläuft“ den Fuß und inseriert an der Basis des ersten (medialen) Mittelfußknochens sowie am mittleren Keilbein (Abb. 3/49); der kurze Peroneus setzt am Fußaußenrand an. Beide Muskeln senken den Fuß und heben den Fußaußenrand (Pronation; s. o.). Außerdem ist der lange Wadenmuskel für die Verspannung bzw. Aufrechterhaltung der Fußgewölbe wichtig (s. o.). Auf der Rückseite des Unterschenkels liegen knochennah auch drei Muskeln, die mit ihren Sehnen unter dem inneren Knöchel durchziehen und als M. tibialis posterior, hinterer Schienbeinmuskel, an die Keilbeine von unten her, als M. flexor hallucis longus, langer Großzehenbeuger, an die Großzehe und als M. flexor digitorum longus, langer Zehenbeuger, an die Kleinzehen herangehen. Alle drei Muskeln sind Senker (Plantarflektoren) des Fußes, sie heben den lnnenrand und sind dadurch sowie wegen ihres Sehnenverlaufs unter dem Sprungbein und der Fersenbeinkonsole wichtige Erhalter der Fußwölbung, wie schon erwähnt. In der Bewegungsfunktion unterstützen sie den mächtigen M. triceps surae105, den dreiköpfigen Wadenmuskel (Farbtafel 4, S. 221). Er entspringt als M. so-

Sind diese Muskeln bzw. der zugehörige Nerv101 gelähmt, dann steht der Fuß gesenkt als Spitzfuß (Pes equinus 102); außerdem ist ihre überwiegende Wirkung, den Seitenrand des Fußes zu heben aufgehoben, und der Fuß steht auf der Außenkante (Pes varus103, Klumpfuß). Man bezeichnet die Gesamtstellung als Pferdeklumpfuß (Abb. 3/50; einen solchen hat der Teufel in der Sage). Nicht jeder Klumpfuß ist

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Es handelt sich hier um die relativ häufige Lähmung des Nervus fibularis (peroneus). von équus (lat.) – Pferd, da dieses ein Zehenspitzengänger ist. várus (lat.) – krummbeinig. orthós (gr.) – richtig, gerade; país (gr.) – Kind (kommt nicht von pes, lat. Fuß! Vgl. Pädiatrie – Kinderheilkunde). súra (lat.) – Wade.

Abb. 3/51: Gesunder Säuglingsfuß, bei dem die Großzehe in Verlängerung des Fersen- und Großzehenballens steht. Die kleinen Zehen stehen natürlicherweise parallel zur Außenkante. Rechts: Durch ungeeignetes Schuhwerk entstandene Abweichung der Großzehe nach lateral (Hallux valgus), die durch die Wirkung der Sehne des langen Großzehenbeugers dauernd verstärkt wird.

Skelett und Bewegungsapparat des Kopfes 251 leus106, Schollenmuskel, vom Unterschenkel und als M. gastrocnemius 107, Zwillingsmuskel, am Oberschenkel, er ist damit auch Beuger am Kniegelenk. Die drei Köpfe vereinigen sich zur starken Achillessehne, die am Hinterende des Fersenbeins ansetzt und damit einen guten Hebelarm für die Plantarflektion hat (Abb. 3/48). Durch übermäßig ruckartiges Abstoppen oder Anziehen kann ein Riß in der Achillessehne entstehen. Eine Verletzung der Achillessehne macht das Gehen und besonders das Laufen unmöglich, da der Fuß bzw. der Körper nun nicht mehr kräftig abgestoßen werden kann. Die Großzehe hat eine Anzahl eigener Muskeln, die es ihr ermöglichen, sich unabhängig von den anderen Zehen zu bewegen. Normalerweise liegt sie auch nicht in derselben Richtung wie die kleinen, sondern etwas abgespreizt, wie man noch am Säuglingsfuß (Abb. 3/ 51) oder an den Füßen von Barfußgehenden der Naturvölker sehen kann. In Abhängigkeit von der Mode wird der Fuß u. U. schon früh durch enges Strumpf- und Schuhwerk zur vorne zugespitzten Form „erzogen“ bzw. deformiert. Dadurch wird die Großzehe seitlich abgebogen, und die Sehne des Großzehenbeugers zieht das Endglied nach hinten, wobei das Grundglied mit dem Mittelfußknochenende nach außen gehebelt wird (Hallux valgus, Abb. 3/51), wo dann durch Druck im Schuh ein entzündliches Hühnerauge (Clavus) entsteht. Der lange Großzehenbeuger verliert dabei auch seine Tragefunktion, so daß letztlich der Fuß seine Funktionen nicht mehr erfüllen kann. Nichts ist daher dringlicher für gesunde Füße als ein bequem passendes Schuhwerk, das der Fußform gerecht ist. Bewegungsanalysen. Weil keine Bewegung nur durch einen oder wenige Muskeln ausgeführt wird, sondern fast immer alle Muskeln einer Extremität unter Mitbeteiligung des Rumpfes die Bewegungen veranlassen, sind Analysen von Bewegungsfolgen, wie sie z. B. das Gehen oder Radfahren darstellen, ungeheuer schwierig und bis in die letzten Einzelheiten gar nicht durchführbar. Schon beim Stehen muß die Muskulatur dauernd kleine Schwankungen des Schwerpunktes ausgleichen. Betrachten wir einmal oberflächlich die Bewegungsfolge des Gehens aus dem Stand heraus. Zuerst wird der Körper mit seinem Schwerpunkt nach vorne verlagert, was durch Nachlassen des Tonus der Fußsenker am Unterschenkel geschieht. Gleich darauf erfolgt eine etwas verstärkte Senkung beider Füße, sozusagen als Beginn des Abstoßens. Damit ist aber auch schon verbunden eine Beugung im Hüftgelenk auf der Seite, deren Bein als erstes zum Schwungbein wird.

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sólea (lat.) – Scholle (vgl. Sohle); der Muskel ist breit und platt. gastér (gr.) – Bauch; cnéme (gr.) – Wade, Schienbein (= tibia). sutúra (lat.) – Naht, von suére, nähen.

Dazu müssen sich außerdem die kleinen Gesäßmuskeln der anderen Seite spannen, um ein Abkippen des Beckens nach der Schwungbeinseite zu verhindern. Das Standbein stößt nun den inzwischen weiter nach vorne „gefallenen“ Körper vollends ab, das Schwungbein wird auf den Fersenballen aufgesetzt. Als nächste Phase wird das bisherige Standbein durch kräftige Beugung der Zehen, besonders der Großzehe, ganz abgestoßen unter gleichzeitiger Anspannung der kleinen Gesäßmuskeln der Gegenseite, damit das Becken wieder richtig gehalten wird und das bisherige Standbein, das nun zum Schwungbein wird, im Hüftgelenk gebeugt werden kann. Diese Beugung erfolgt allerdings zuerst durch die Schwerkraft, da der Schwerpunkt des Schwungbeins anfangs noch hinter der Aufhängungslinie liegt. Das nun neue Standbein streckt sich durch, besonders in der Hüfte, was unter kräftiger Anspannung des großen Gesäßmuskels vor sich geht. Die Kontraktion des Gesäßmuskels kann man deutlich erkennen, besonders bei Frauen wegen ihres breiteren Bekkens. Wenn der Rumpfschwerpunkt über dem Standbein steht, wiederholt sich der bisher beschriebene Vorgang seitenvertauscht. Schwieriger noch als das Gehen ist die Analyse des Laufens und des Radfahrens, denn bei diesem muß der tretende Fuß bei gebeugtem Hüft- und Kniegelenk gesenkt werden. Es sind dabei die hinteren Oberschenkelmuskeln (ischiocrurale Gruppe) besonders beteiligt, denn sie strecken im Hüftgelenk und beugen im Kniegelenk. Beim Sportrudern wird die ganze Rumpf- und Extremitätenmuskulatur besonders kräftig beansprucht, was für das Schwimmen und für viele Ballspiele ebenso zutrifft.

3.5 Skelett und Bewegungsapparat des Kopfes 3.5.1

Schädelknochen

Daß sich der Schädel aus zahlreichen Einzelknochen zusammensetzt, ist phylogenetisch und entwicklungsgeschichtlich bedingt. Im erwachsenen Zustand sind aber die Einzelknochen fest miteinander verwachsen. Viele der Verwachsungsstellen sieht man noch als Nähte (Suturae 108). Vor der Verwachsung findet in den Nähten aus straffem Bindegewebe (Syndesmosen, vgl. S. 203) das Breitenwachstum der platten Knochen statt; und je nach früherer oder späterer Verknöcherung (Übergang zur Synostose), deren Zeitpunkt bei den einzelnen Nähten erblich verschieden sein kann, kommt es zu den verschiedenen Schädelformen wie Rund- oder Langschädel. Zur Zeit der Geburt sind viele Nähte noch weit offen und nur bindegewebig unter der Hautdecke verschlossen (Abb. 3/52). Wo mehr als zwei Knochenanlagen zusammentreffen, ist eine grö-

252 Bewegungsapparat

Abb. 3/52: Schädel des Neugeborenen von oben und von der Seite.

ßere Lücke. Diese Lücken heißen Fontanellen109, weil man hier die pulsatorischen Schwankungen des Gehirns bzw. seiner Blutgefäße und der das Gehirn umgebenden Flüssigkeit wahrnehmen kann. Während der Geburt werden die Scheitelbeine übereinandergeschoben, wodurch der Umfang des Kopfes für den Durchtritt durch das mütterliche Becken etwas kleiner wird.

Am Schädel, Cranium, lassen sich Gesichtsund Gehirnschädel unterscheiden, die beide die schräg nach hinten abfallende Schädelbasis gemeinsam haben (s. Abb. 3/10, S. 212, rechtes Teilbild; Abb. 3/57, S. 256). Diese dient also dem Hirnschädel als Boden und in ihrer vorderen Hälfte dem Gesichtsschädel als Dach, während ihre hintere Hälfte mit der Wirbelsäule verbunden ist und der Halsmuskulatur als Ansatz dient. Auf die Schädelbasis ist das Schädeldach (Calotte; Abb. 3/53) aufgesetzt, wodurch die Schädelhöhle knöchern umschlossen wird. Die das Gehirn umwölbenden Knochen enthalten in ihrer mittleren, der Spongiosa entsprechenden Schicht reichlich Venengeflechte, die auch der Wärmeregulation des Schädelinhalts dienen. Die Schädelknochen besitzen wie alle Knochen eine gewisse Elastizität (s. S. 133), so daß sich der Schädel bei einem Stoß oder Sturz in geringem Maße verformen kann; der Durchmesser kann dabei in Stoßrichtung um 1-1,5 cm gerin-

109

von fons (lat.) – Quelle.

Abb. 3/53: Schädeldach von oben, bestehend aus a – Stirnbein (Os frontale), d – Scheitelbein (Os parietale) und der Schuppe des f – Hinterhauptbeins (Os occipitale), zwischen welchen die b – Kranznaht (Sutura coronalis), die c – Pfeilnaht (Sutura sagittalis) und die e – Lambdanaht (Sutura lambdoidea) liegen.

Skelett und Bewegungsapparat des Kopfes 253

Abb. 3/54: Schädelbasis von innen. Rechts sind die wichtigsten Knochen, links die wichtigsten Öffnungen angegeben. A – vordere, B – mittlere, C – hintere Schädelgrube. 1 – Stirnbein (Os frontale), 2 – Siebbein (Os ethmoidale), 3 – kleiner Flügel des Keilbeins (Ala minor ossis sphenoidalis), 4 – großer Flügel des Keilbeins (Ala major oss. sphen.), 5 – Türkensattel des Keilbeinkörpers (Sella turcica), 6 – Schläfenbeinschuppe (Pars squamosa, Teil des Schläfenbeins, Os temporale), 7 – Felsenbein (Pars petrosa, Teil des Schläfenbeins), 8 – Scheitelbein (Os parietale); 9 – Hinterhauptsbein (Os occipitale). a – Hahnenkamm (Crista galli), b – Zugangslöcher der Siebbeinplatte zur Nasenhöhle (Lamina cribrosa), c – Sehnervenkanal (Canalis opticus), d – Zugang zur Augenhöhle (Fissura orbitalis superior), e – rundes Loch für den 2. Trigeminusast (Foramen rotundum), f – ovales Loch für den 3. Trigeminusast (Foramen ovale), g – Eintrittsstelle der Hirnarterie (A. carotis interna, auf dem bindegewebig verschlossenen Foramen lacerum gelegen), h – innerer Gehörgang, Austritt des VII. und VIII. Hirnnervs (Porus acusticus internus), i – Austritt der Hauptvene (Foramen jugulare), k – Rinne für den S-förmigen Blutleiter (Sinus sigmoideus), l – großes Hinterhauptsloch (Foramen magnum). Die venösen Blutgefäße sind blau dargestellt.

ger werden. Stärkere Einwirkungen führen allerdings zum Schädelbruch. Die Innenseite der Schädelbasis (Abb. 3/54) wird vorne vom Stirnbein gebildet, das damit gleichzeitig das Dach für die Augenhöhle ist. Durch die Löcher der in das Stirnbein eingeschalteten Siebplatte des Siebbeins (= Siebbeinplatte) gehen aus der Riechschleimhaut der Nasenhöhlen die Riechnerven zum Gehirn (s.

S. 526 und Abb. 7/1, S. 358). In der Mitte der Siebbeinplatte ragt ein Knochenkamm (Crista galli) nach oben, an dem die Hirnsichel (s. S. 613) befestigt ist. Stirnbein und Siebbeinplatte bilden zusammen mit den kleinen Keilbeinflügeln die vordere Schädelgrube, der das Stirnhirn aufliegt. Die beiden paarigen mittleren Schädelgruben, die die Schläfenlappen des Gehirns aufnehmen,

254 Bewegungsapparat

Abb. 3/55: Schädelbasis von unten. Rechts sind die wichtigsten Knochen, links die wichtigsten Öffnungen angegeben. 1 – Zwischenkiefer, 2 – Gaumenplatte des Oberkiefers, 3 – Oberkiefer (Maxilla), 4 – Jochbein (Os zygomaticum), 5 – Gaumenbein (Os palatinum), 6 – großer Flügel des Keilbeins (Ala major ossis sphenoidalis), 7 – Flügelfortsatz (Processus pterygoideus) des Keilbeins, innere Lamelle, seitlich davon die äußere Lamelle, 8 – Griffelfortsatz (Processus styloideus) des Schläfenbeins, 9 – Gelenkgrube für den Unterkiefer (Fossa mandibularis), 10 – äußerer Gehörgang (Meatus acusticus externus); 11 – Warzenfortsatz (Processus mastoideus); 12 – Hinterhauptsbein (Os occipitale). a – Zugang zur Augenhöhle (Fissura orbitalis inferior), b – hinterer Nasenausgang (Choane), c – ovales Loch (Foramen ovale) für den 3. Trigeminusast, d – zerrissenes Loch (Foramen lacerum), e – Eintrittsloch (Canalis caroticus) für die Hirnarterie (A. carotis interna), f – Austrittsstelle (Foramen stylomastoideum) des N. facialis (VII), g – zusätzlicher Venenabfluß, h – großes Hinterhauptsloch (Foramen magnum), i – zusätzlicher Venenabfluß.

110

Das Keilbein (Os sphenoidále) [sphén (gr.) – Keil] oder Wespenbein [sphéx (gr.) – Wespe] hat einen Körper mit den seitlichen kleinen und großen Flügeln (Alae) und den nach unten gehenden Flügelfortsätzen [Processus pterygoídei; von ptéryx (gr.) – Flügel], die bei Betrachtung von vorne den Füßen der anfliegenden Wespe entsprechen.

werden durch den Türkensattel getrennt. Er ist vom Körper des Keilbeins110 gebildet und nimmt die Hirnanhangsdrüse (Hypophyse; s. S. 705) auf. Vom Keilbeinkörper gehen oben nach der Seite die erwähnten kleinen Flügel ab, die den Hinterrand der vorderen Schädelgrube bilden; weiter unten gehen nach der Seite die großen Flügel ab, die den Boden der mittleren Schädel-

Skelett und Bewegungsapparat des Kopfes 255

Abb. 3/56: Schädel von der Seite. a – Scheitelbein (Os parietale), b – Hinterhauptsbein (Os occipitale), c – Warzenfortsatz des Schläfenbeins (Processus mastoideus); vom Os temporale außerdem sichtbar die Schläfenbeinschuppe (Pars squamosa; in Bildmitte) sowie der Jochbeinfortsatz (Processus zygomaticus) und der d – Griffelfortsatz (Processus styloideus); e – Stirnbein (Os frontale); f – großer Flügel des Keilbeins (Ala major ossis sphenoidalis), g – Nasenbein (Os nasale), h – Jochbein (Os zygomaticum), i – Oberkieferbein (Os maxillare), k – Unterkiefer (Mandibula). Die Nasenknorpel sind blau dargestellt.

grube bilden, aber auch noch einen Teil der Außenwand, wo sie sich zwischen Stirn- und Schläfenbein einschieben (Abb. 3/56). Den hinteren Teil der mittleren Schädelgrube bildet die vordere, obere Wand des Felsenbeins, in welchem hauptsächlich das Mittel- und Innenohr untergebracht sind. Das Felsenbein ist ein Teil des Schläfenbeins, das mit seiner Schuppe auch an der Seitenwand des Hirnschädels beteiligt ist. Die Oberkanten der Felsenbeinpyramiden bilden die schräg nach vorne konvergierenden Grenzen zur hinteren Schädelgrube. Der unpaaren hinteren Schädelgrube liegen das Kleinhirn und der Hauptteil des Hirnstammes auf. Der Boden wird fast ganz vom Hinterhauptsbein gebildet. Zentral umschließt es das große Hinterhauptsloch (Foramen magnum), das den untersten Umfang des Gehirns umfaßt,

nämlich das verlängerte Mark, das dann ins Rükkenmark übergeht (Abb. 3/9, S. 211). Vorne seitlich beteiligt sich wieder das Felsenbein an der hinteren Schädelgrube. Aus allen Schädelgruben öffnen sich nach unten Löcher und Kanäle, durch die Hirnnerven und Gefäße treten. Die Schädelbasis bricht besonders dann, wenn durch äußere Gewalteinwirkung der Schädel gegen die Wirbelsäule gestaucht wird; dabei sind die durchtretenden Nerven und Gefäße gefährdet.

Schädelunterseite (Abb. 3/55). Dem großen Hinterhauptsloch liegen seitlich vorne die beiden Gelenkhöcker (Condylen) an, die mit den oberen Gelenkflächen des Atlas artikulieren. Weiter vorne sieht man in den vertikal gestellten hinteren Ausgang der Nasenhöhle (Choanen; s. S. 361). Er ist seitlich von den Flügel-

256

Bewegungsapparat

Abb. 3/57: Röntgenbild des Kopfes einer 31jährigen Frau von Abb. 3/58: Röntgenbild des Kopfes eines der Seite. Die Röntgenstrahlen durchdringen nicht die Zahnfül- 29jährigen Mannes von vorne. Aufnahme lungen! Aufnahme Prof. Dr. BÜRKLE , Donaueschingen. Prof. Dr. BÜRKLE, Donaueschingen.

fortsätzen des Keilbeins begrenzt. Die Nasenscheidewand wird hier vom Pflugscharbein und der Nasenboden vom Gaumenbein gebildet, dem sich nach vorne die Gaumenfortsätze des Oberkiefers anschließen. Deren äußere Ränder setzen sich nach unten in den insgesamt elliptisch geformten Zahnbogen fort, der die oberen Zähne trägt. Seitenansicht (Abb. 3/56). Von der Seite betrachtet, erscheint der Gesichtsschädel vorne unten an den Hirnschädel angesetzt, während er bei den Säugetieren viel mehr vor dem verhältnismäßig kleineren Gehirnschädel liegt. Beim Menschen hat sich gleichzeitig mit der mächtigen Entfaltung des Gehirns und dem Erwerb der aufrechten Haltung der Hirnschädel über den Gesichtsschädel hinweggeschoben, und die Schädelbasis wurde in der Gegend des Keilbeins etwas abgeknickt. Dadurch liegt das große Hinterhauptsloch mehr horizontal, der Kopf ist nahe seinem Schwerpunkt unterstützt und muß nicht mehr durch eine besonders kräftige Muskulatur gehalten werden (Abb. 3/10, S. 212). In der Höhe der Schädelbasis sehen wir von der Seite den äußeren Gehörgang, hinter ihm geht

nach unten der mächtige Warzenfortsatz, weiter innen der lange Griffelfortsatz vom Schläfenbein ab. Vor dem Gehörgang liegt die Gelenkpfanne für das Unterkieferköpfchen, die nach vorne in ein walzenförmiges Höckerchen übergeht. Seitlich davon erhebt sich der Jochbogen als Brücke über dem Muskelfortsatz des Unterkiefers und dem daran ansetzenden Schläfenmuskel. Der Jochbogen verbreitert sich nach vorne und faßt die Augenhöhle von der Seite ein, indem er sich teils an das Stirnbein oben, teils an den Oberkiefer unten anlegt. Der Oberkiefer, dessen Gaumenanteil und Zahnbogen schon erwähnt wurden, umrahmt den Naseneingang und dient der Augenhöhle als Boden. Die vordere Nasenöffnung wird überdacht von den beiden kleinen Nasenbeinen (weiteres über die Nase s. S. 357). Die beiden Augenhöhlen sind kegelförmig; an ihrem Hinterende sind Löcher und Spalten für die Nerven und Gefäße von und zum Gehirn und der Schädelunterseite. Der Unterkiefer (Mandibula; Abb. 3/59) ist mit dem Schädel gelenkig verbunden. Er besteht aus dem parabolisch geformten Körper, dem der Zahnbogen aufsitzt, der seinerseits die Zähne trägt. An beiden Enden des Körpers gehen

Skelett und Bewegungsapparat des Kopfes 257

Abb. 3/59: Unterkiefer. Darstellung der Lage der Gelenkwalzen mit gestrichelt dargestellten Bewegungsachsen und des Eintritts- und Austrittsloches der Unterkiefernerven und -gefäße (s. Text.).

schräg nach oben die Äste ab, die in zwei Fortsätze auslaufen: den hinteren Gelenkfortsatz mit dem walzenähnlichen Gelenkköpfchen (Processus condylaris) und den vorderen Muskelfortsatz (Processus coronoideus). Zwischen beiden Fortsätzen ist eine bogige Einkerbung. Auf der Innenseite des Unterkieferastes beginnt, überdeckt von einer Knochenlamelle, der Kanal, in welchem der Nerv und die Gefäße für die Zähne verlaufen. Dieser Kanal hat nach außen, unter den vorderen Backenzähnen, eine Öffnung, durch welche die Nerven und Gefäße zur Versorgung der Kinnhaut heraustreten. Das kleine hufeisenförmige Zungenbein (Os hyoideum; Abb. 7/4, S. 362, u. 16/4, S. 712) hat keine gelenkige Verbindung mit anderen Skelettstücken, sondern ist bindegewebig und muskulär am Schädel aufgehängt und hat enge Beziehungen zur Zunge und zum Kehlkopfskelett.

3.5.2

Muskeln (ohne Kaumuskeln)

Gesichtsmuskulatur. Während der Stammesgeschichte ist in das Gesicht Halsmuskulatur eingewandert, die sich zunächst um die Öffnungen Mund, Auge, Nase und Ohr als Schließmuskeln ausgebildet hat. In der Ontogenese wiederholt sich der Vorgang. Diese Muskulatur bewegt nicht Teile des knöchernen Skeletts gegeneinander, sondern ist einerseits zwar am Knochen, andererseits aber an der Haut befestigt, wodurch sie diese bewegen und verziehen kann. Diese Hautmuskulatur bleibt aber nicht nur als ringförmige Schließmuskulatur bestehen, sondern unterlagert die Gesichtshaut auch flächig, so daß ein vielfältiges Mienenspiel ermöglicht wird. Man unterscheidet etwa 25

gröbere und feinere Muskelpaare (teilweise auf Farbtafel 3, S. 220, dargestellt). Beim Lachen, Weinen, Grollen und anderen mimischen Ausdrucksbewegungen werden stets viele dieser Muskeln gleichzeitig betätigt. Mimische Bewegungen können zwar willkürlich ausgeführt werden, doch erfolgen sie allermeist unwillkürlich und werden von allen Menschen in gleicher Weise vorgenommen und verstanden. Schon der Säugling fängt in freudiger Stimmung zu lächeln an und versteht ein lächelndes oder unfreundliches Gesicht einer Person sinngemäß. Die Mimik ist also ein phylogenetisch altes, angeborenes Verständigungsmittel des Menschen; eine Reihe von mimischen Ausdrucksbewegungen ist bei den Affen, z. T. auch anderen Säugern ähnlich. Bei einer mimischen Dauereinstellung fixieren sich im Laufe der Jahre die durch die Muskeln hervorgerufenen Hautfalten, wodurch dem einen ein freudiges, dem anderen ein griesgrämiges oder leidvolles usw. Gesicht zu eigen wird. Im Zuge des Alterns setzt eine Abnahme mimischer Möglichkeiten bis zur Erstarrung ein, es entsteht dann das Bild des je nachdem „verschlossenen“ oder aber auch „vergeistigten“ Ausdrucks, weil hierbei das Individuum sein Erleben nicht mehr nach außen erkennen läßt. Einige der Muskeln werden bei den Organen näher geschildert, zu denen sie gehören (s. Mund, S. 406, und Auge, S. 580). Zur mimischen Muskulatur gehören auch der Stirn- und der Hinterhauptsmuskel (zusammen: M. occipitofrontalis), zwischen denen eine derbe sehnige Platte, die Kopfschwarte, befestigt ist. Sie ist mit der Unterlage nur locker verbunden und auf ihr verschiebbar; so vermögen manche Menschen den Haarboden zu bewegen. Schädelbewegungen. Da der Kopf knapp hinter seinem Schwerpunkt der Halswirbelsäule aufsitzt, ist vor allem die Nackenmuskulatur stark ausgebildet, die den Kopf halten und das Gesicht erheben kann (s. Rückenmuskulatur, S. 218). Dagegen ist die vordere Musku-

258 Bewegungsapparat latur, die das Gesicht senkt, bedeutend schwächer, es gehört hierzu die zwischen Unterkiefer und Zungenbein liegende Mundbodenmuskulatur sowie die Muskelgruppe, die das Zungenbein nach abwärts an das Brustbein zieht. Die Seitneigung und die Drehung des Kopfes erfolgt ebenfalls durch die Halsmuskulatur, wobei besonders die Nackenmuskeln, die Treppenmuskeln und die Kopfnicker (s. S. 222) beteiligt sind. Das Kiefergelenk und die Kieferbewegungen werden zusammen mit dem Kauapparat besprochen (S. 404).

259

4 Blut Das Blut (lat. sanguis, gr. haima) geht ebenso wie die Gefäße, in denen es fließt, und das Herz, das es fortbewegt, aus dem Mesenchym hervor. Aufgrund seiner Entwicklungsgeschichte ist das Blut auch als spezialisiertes flüssiges Bindegewebe aufzufassen, bei dem die flüssigen Anteile den sehr umfangreichen Interzellularraum darstellen. Das Blut ist das große flüssige Transportmittel des Körpers und nimmt während seiner Zirkulation durch den Körper wichtige Funktionen wahr: 1. Atmungsfunktion. Die Atmungsfunktionen bestehen im Transport von Sauerstoff aus den Lungen in die Gewebe und von Kohlendioxid aus den Geweben in die Lunge (s. auch Kapitel Atmung, S. 357). 2. Nährfunktion. Das Blut befördert die Spaltprodukte der Nahrung aus dem Verdauungstrakt in die Leber und von dort in den gesamten Organismus. Es transportiert weiterhin überschüssige Nahrungsstoffe in die Nahrungsdepots und bei Bedarf Nahrungsstoffe aus den Depots in die aktiven Zellen. 3. Exkretorische Funktion. Stoffwechselendprodukte der Zellen, die in den Interzellularraum und von dort ins Blut diffundieren,

werden an die exkretorischen Organe, vor allem an die Nieren, abgegeben. 4. Regelung des internen Milieus. Die Konstanz der zwischenzelligen Flüssigkeiten wird durch Austauschvorgänge zwischen ihnen und dem Blut ermöglicht. 5. Temperaturregelung. Die in den Organen im Überschuß gebildete Wärme wird vom Blut in die Haut transportiert und dort abgegeben. Andererseits sorgt der Blutkreislauf dafür, daß jede Stelle des Organismus die jeweils notwendige Wärme erhält. 6. Hormontransport. Die den endokrinen Drüsen entstammenden Hormone werden vom Blut an die oft entfernt gelegenen Wirkorte transportiert. 7. Abwehrfunktion. Weiße Blutkörperchen (Leukocyten) und bestimmte chemische Bestandteile (Antikörper) des Blutes schützen den Körper gegen Gifte oder eindringende Mikroorganismen. Der erwachsene Mensch besitzt 5-6 l Blut. Es besteht aus einem flüssigen Anteil, dem Blutplasma, und den darin suspendierten Blutkörperchen. Das Verhältnis des Volumens der roten Blutkörperchen (das fast gleich ist dem Volumenanteil aller Blutzellen) zum Gesamt-

Tab. 4/1: Zusammensetzung des Blutes (Durchschnittswerte). rote Blutkörperchen (Erythrocyten) 4,5-5 Mio/µl geformte Bestandteile (Blutkörperchen) 44 % Blut 5-6 l

weiße Blutkörperchen (Leukocyten) 4500-6000/µl Blutplättchen (Thrombocyten) 300 000-600 000/µl

flüssige Bestandteile (Blutplasma) 56 %

Lymphocyten 30 % Granulocyten 66 %

neutrophile 63 % eosinophile 2 % basophile 1 %

Monocyten 4%

260 Blut

blutvolumen wird als Hämatokritwert bezeichnet. Dieser hat klinische Bedeutung und liegt beim Gesunden um 44 % (normal zwischen 41 % und 48 %).

4.1 Geformte Bestandteile des Blutes 4.1.1

Rote Blutkörperchen (Erythrocyten)

Erythrocyten1 sind kleine kernlose Zellen, die im roten Knochenmark aus kernhaltigen Vorläuferzellen entstehen (s. S. 269). Sie haben die Aufgabe, mit Hilfe ihres Hämoglobins Sauerstoff von der Lunge zu den Geweben und Kohlendioxid von den Geweben zur Lunge zu transportieren. Das Hämoglobin ist rot und verursacht die Farbe des Blutes. In dünner Schicht, z. B. am ungefärbten Blutausstrich, sieht das Blut jedoch gelb-grünlich aus. 34 % der Gesamtmasse der Erythrocyten entfallen auf das Hämoglobin; in 100 ml Blut sind ca. 15 g Hämoglobin enthalten2. Die Funktion des Hämoglobins ist auf S. 276 beschrieben. Wenn reife Erythrocyten des Menschen (und fast aller Säugetiere) ruhig in einer blutisotonen Lösung (s. S. 47) liegen, also nicht fließen, so sind sie flache, beidseitig eingedellte (bikonkave), kreisrunde Scheibchen, deren Durchmesser sich beim Gesunden um einen mittleren Wert von 7,5 µm und einer Randdicke von 2,4 µm in Form einer Normalverteilung gruppiert. Quergeschnittene Erythrocyten haben Hantelform und sind zentral 1 µm dick (Abb. 4/1 a und b). Diese Form begünstigt Austauschvorgänge über die Membran, denn die Diffusionsstrecken im Cytoplasma der Erythrocyten sind besonders kurz. Allerdings kann sich diese Diskus-Form der Erythrocyten ändern, z. B. beim Durchfließen enger Kapillaren. Rote Blutkörperchen verhalten

1 2

3

erythrós (gr.) – rot; kytós (gr.) – Zelle. Die Feststellung des Hämoglobingehaltes erfolgt photometrisch durch Messung der Farbintensität eines mit hämolysiertem Blut gefüllten Röhrchens von festgelegter Weite im Durchlicht. Die Normalmenge wird z. T. auch als 100 % bezeichnet. lyein ´ (gr.) – lösen, auflösen.

sich innerhalb des Blutes wie zähe Flüssigkeitstropfen; aufgrund ihrer Membraneigenschaften bewirken die Erythrocyten, daß sich das Blut bei schnellem Fluß nicht wie eine Zellsuspension, sondern wie eine Emulsion verhält. Die Zähigkeit (Viskosität) des Gesamt-Blutes ist kaum höher als diejenige des Blutplasmas. Feine Blutkapillaren und Poren, z. B. in der Milzstrombahn, sind mit ca. 4 µm enger als die Durchmesser freischwimmender Erythrocyten. Da die Erythrocyten aber stark verformbar sind und beim Fließen Napf-, Fallschirm- oder auch eine langgestreckte Zigarren-Form annehmen können, können sie leicht durch solch enge Kanäle hindurchfließen (Abb. 4/2). Die gute Fließfähigkeit nimmt jedoch ab, wenn sich die Erythrocyten durch Wasseraufnahme in Kugeln verwandeln, oder wenn sie Wasser verlieren und zu stechapfelähnlichen Gebilden schrumpfen (Abb. 4/1 e). Bei Fehlbildungen des Hämoglobins und Alterung der Erythrocyten findet man Membranänderungen, die ihrerseits die Fließfähigkeit beeinträchtigen. Unter manchen krankhaften Bedingungen können sich die Erythrocyten zusammenballen und sich geldrollenartig zusammenlegen (Abb. 4/1 d ). Sie erhalten dann die Eigenschaften einer Suspension mit hoher Viskosität. Geldrollenbildung kann reversibel sein, sie kann aber auch irreversibel werden und einen Stillstand der Blutzirkulation an den betroffenen Gefäßabschnitten bewirken. In stark hypotonen Lösungen (s. S. 47) nehmen die Erythrocyten über ihre semipermeable Membran so viel Wasser auf, daß sie sich zunächst zu Kugeln verformen und schließlich zerplatzen. Dann tritt Blutfarbstoff aus: Hämolyse3; über diesen Vorgang wird das Blut lackfarben-durchsichtig. Die Verformbarkeit der Erythrocyten ist begründet in der hochflexiblen Erythrocytenmembran. Diese stellt eine modifizierte Lipid-Einheitsmembran dar, an die mehrere unterschiedliche Proteine, Lipoproteine, Glykoproteine u. a. gebunden sind. So gibt es integrale Membranproteine, die über das Protein Ankyrin mit einem elastischen, direkt unter dem Plasmalemm gelegenen Netzchen verbunden sind; dieses besteht aus speziellen Cytoskelettelementen, den Spektrin (Protein)-Mikrofilamenten, die an ihren Kreuzungspunkten über kurze Actinfilamente verknüpft sind. Das bis um das Dreifache seiner normalen Länge dehnbare Spektrin-Netzchen ermög-

Geformte Bestandteile des Blutes 261

Abb. 4/1: Rote Blutkörperchen in unterschiedlichen Ansichten bzw. Zuständen. Links: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines „ruhenden“ Erythrocyten in Schrägansicht. 1800:1. Aufnahme Priv.-Doz. Dr. M. WITT, Tübingen. – Zeichnerische Darstellungen: a – von oben, b – von seitlich, halbiert, c – Napfform, d – Geldrollenbildung, e – Stechapfelform.

licht die erheblichen Formveränderungen, zu denen der fließende Erythrocyt fähig ist. – Weitere integrale und periphere Membranproteine haben Rezeptor-Funktion, andere fungieren als Transportproteine oder sind Proteine mit Blutgruppeneigenschaften. Der Kohlenhydratanteil dieser Glykoproteine bildet eine Glykocalix, an die ebenfalls Blutgruppeneigenschaften und weitere Funktionen, wie bestimmte Antigen-Eigenschaften, gebunden sind (vgl. S. 8). Eine weitere Besonderheit des ErythrocytenPlasmalemm ist, daß seine Permeabilität für An-

ionen rund eine Million mal größer ist als für Kationen. Dies ist von Bedeutung für den Kohlendioxid-Transport zu den Lungen: Im Erythrocyten liegt das abzuatmende CO 2 als (HCO3)–-Anion vor, das in der Lunge, im Austausch gegen Cl–, integrale Anionen-gängige Protein-Kanäle passiert. Es gibt in der Erythrocytenmembran aber auch für den Kationentransport aktive, ATP-abhängige Transportsysteme, die Na+ und K+ entgegen dem Konzentrationsgefälle Blutplasma → Erythrocyten-Cytoplasma „verschieben“ können. So können die Konzen-

Abb. 4/2: Pantoffelartig verformte Erythrocyten im Blutstrom einer Kapillare, die längs aufgeschnitten ist, EM-Schema. Die dicken Pfeile geben die Fließrichtung des Blutes an; die Pfeile innerhalb des mittleren Erythrocyten veranschaulichen die Verformungsbewegungen, die im Erythrocyten ablaufen. a – Endothelzelle, b – Basalmembran, c – Pericyt, d – Bindegewebsfasern, e – Interzellularflüssigkeit.

262 Blut

trationsunterschiede zwischen den beiden Bereichen reguliert bzw. aufrecht gehalten werden. Die Erythrocyten stellen die überwiegende Masse aller Blutkörperchen dar: in 1 µl Blut befinden sich 4,5-6 Millionen Erythrocyten. Bei der Frau gelten 4,5 Millionen, beim Mann 5 Millionen pro µl als Normwert. Diese Werte schwanken geringfügig im Laufe des Tages, da der Wassergehalt des Blutes ebenfalls Schwankungen unterworfen ist. Bei längerem Aufenthalt in großen Höhen (s. S. 383) oder bei manchen Krankheiten ist die Erythrocytenzahl gesteigert. Rechnerisch läßt sich ermitteln, daß in der Gesamtblutmenge des Erwachsenen von ca. 5 l sich 25 · 1012 = 25 Billionen Erythrocyten befinden. Die Oberfläche eines Erythrocyten mißt durchschnittlich 100 µm2; die Oberfläche aller roten Blutkörperchen beläuft sich dann auf 2 500 m2 (Frau) bzw. 3 100 m2 (Mann) (ein Fußballfeld hat 7500 m2 Fläche!). Von allen roten Blutkörperchen sind diejenigen reich mit Sauerstoff beladen, die von der Lunge zum (linken) Herzen und von dort zu den sauerstoffverbrauchenden Organen fließen; die zur Lunge zurückströmenden Erythrocyten tragen weniger Sauerstoff, aber einen großen Anteil des in den Geweben gebildeten Kohlendioxids. Bei Normalbelastung des Körpers nimmt die Gesamtmenge des Blutes nicht gleichmäßig am Kreislauf teil. Ein Teil fließt vielmehr als Reserve in den sogenannten Blutdepots (s. S. 351) sehr langsam und wird so, abrufbereit, „gespeichert“. Obwohl die Erythrocyten kernlos und frei von Mitochondrien und anderen Zellorganellen sind, leben sie relativ lange: Durch IsotopenMarkierung läßt sich ihre durchschnittliche Lebensdauer mit 120 Tagen bestimmen. Das bedeutet, daß im Verlauf von 120 Tagen der gesamte Erythrocytenbestand von 25 Billionen er4

leukós (gr.) – weiß.

neuert werden muß: Das sind 208 Milliarden Erythrocyten pro Tag, etwas über 8 Milliarden in einer Stunde, 144 Millionen in einer Minute und 2,4 Millionen in einer Sekunde. Innerhalb von nur zwei Sekunden wird also der Erythrocytenbestand eines µl Blutes im Knochenmark (s. unten) gebildet, aber gleichzeitig muß in Milz und Leber die entsprechende Menge gealterter Erythrocyten abgebaut werden („Blutmauserung“). Diese Regenerationsleistung erscheint erstaunlich, sie wird aber verständlich, wenn man das Gesamtgewicht des roten Knochenmarks berücksichtigt: Dieses liegt mit 1500 g etwa so hoch wie das Gewicht der Leber!

4.1.2

Weiße Blutkörperchen (Leukocyten)

Die Leukocyten4, auch weiße Blutzellen genannt, sind zahlenmäßig viel seltener als Erythrocyten: in 1 µl Blut sind 4 500-6 000 (selten bis 10 000) Leukocyten enthalten (Abb. 4/3a). Die Anzahl der „Leukos“ ist aber inkonstant, sie ist z. B. schon nach einer Mahlzeit oder nach körperlicher Arbeit gesteigert, weshalb der Arzt die Leukocytenzählung nur am Blut des nüchternen Menschen (meist morgens) vornimmt. In den Blutgefäßen halten sich die Leukocyten normalerweise an den Gefäßwänden auf, also im Gebiet verlangsamter Blutströmung. Aufgrund ihrer amöboiden Beweglichkeit können sie sich zwischen den Endothelzellen und durch die Strukturen der Gefäßwand hindurchschieben und in das Interstitium gelangen und umgekehrt, je nach Bedarf. Dieses Durchwandern geschieht aktiv; man nennt es „Leukodiapedese“. Hierdurch bedingt halten sich im zirkulierenden Blut nur relativ wenige Leukocyten auf; die Hauptmasse der Leukocyten des Körpers befindet sich im Bindegewebe, speziell in dem der lymphatischen Organe (s. S. 347).

Abb. 4/3: a) Blutausstrich (normal). Neben einer Vielzahl von Erythrocyten sind sechs Leukocyten (drei segmentkernige neutrophile Granulocyten, zwei Lymphocyten und ein eosinophiler Granulocyt) zu sehen. 300:1. b) Blutausstrich eines an Leukämie Erkrankten mit vielen vorzeitig, d. h. unreif, in das Blut entlassenen Leukocyten. 300:1. c) Rotes Knochenmark. Rechts oben ist ein Knochenbälkchen (K) angeschnitten. Runde, leer erscheinende Bereiche sind Fettzellen (F). Quer durch die untere Bildhälfte läuft ein blutgefüllter Knochenmarksinus (S). Dichte, zellreiche Areale sind hämatopoetisches Gewebe. In der Bildmitte zwei Knochenmarksriesenzellen. 300:1. d) Knochenmarksriesenzelle (Megakaryocyt) mit typisch vergrößertem, stark gelapptem und geteilten polyploiden Zellkern. 1 250:1.

Geformte Bestandteile des Blutes 263

264 Blut Die normale Anzahl der Leukocyten kann pathologische Abweichungen erfahren: bei einer Reihe von Krankheiten ist die Leukocytenzahl erheblich gesteigert (Leukocytose). Zum Beispiel beträgt sie bei manchen Infektionskrankheiten das 3- bis 5fache des Normalen. Bei Leukämie (s. auch S. 272) kann sich die Leukocytenzahl auf Extremwerte bis zu 500 000 pro µl Blut erhöhen (Abb. 4/3 b). Dagegen ist bei Leukopenie die Leukocyten-Normzahl weit unterschritten. Auch dieses Krankheitsbild kann durch eine Störung der Zellbildung verursacht sein oder auch durch eine zu hohe Leukocyten-Abbaurate.

die für die Adhäsion wichtigen Moleküle CD 11 und CD 18, die T-Lymphocyten CD 3. Die Funktionen dieser Moleküle sind vielfältig (Botenstoffe, Erkennungs- und Adhäsionsmoleküle u. a.) Ihrer Herkunft nach lassen sich die Leukocyten in eine myeloische Reihe (die Leukocyten stammen aus dem roten Knochenmark) und in eine lymphatische Reihe (die Zellen entwickeln sich in den lymphatischen Organen) einteilen.

Die weißen Blutkörperchen stellen eine morphologisch heterogene Gruppe kernhaltiger Blutzellen dar, sowohl im Hinblick auf die Anfärbbarkeit als auch nach ihrer Herkunft. Ihre Funktionen beziehen sich auf unterschiedliche Formen der Abwehr. Eine erste Einteilung der Leukocyten ist aufgrund zweier Hauptkernformen möglich: Die mononucleären Leukocyten haben einen gleichmäßig runden Zellkern, der Kern der polymorphkernigen Leukocyten ist dagegen unregelmäßig gestaltet und z. T. mehrfach unterteilt, segmentiert. Im Normalblut verteilen sich die Leukocyten (= 100 %) wie folgt:

4.1.2.1

polymorphkernige Zellen: mononucleäre Zellen:

Granulocyten (60-70 %) Lymphocyten (25-33 %) Monocyten (2-8 %)

Die Unterscheidung der verschiedenen Leukocytentypen erfolgt also konventionell nach morphologischen Merkmalen, die sich bei Anfärbung mit sauren und basischen Farbstoffen darstellen. Bisweilen sind diese Unterscheidungsmerkmale schwierig erkennbar, so daß der Nachweis von Differenzierungsantigenen auf den Zelloberflächen als Unterscheidungskriterium verwendet wird. Diese Markermoleküle werden durch Verwendung spezifischer Antikörper markiert und mit Hilfe spezieller Techniken, z. B. der Fluoreszenzmikroskopie, nachgewiesen. Man hat die Markermoleküle nach dem CDSystem (cluster of differentiation) numeriert. So haben alle Leukocyten das Markermolekül CD 45, die neutrophilen Leukocyten zusätzlich 5 6 7

gránulum (lat.) – Körnchen. philós (gr.) – Freund. phágein (gr.) – fressen.

Granulocyten5

Die Granulocyten entstammen dem roten Knochenmark (s. S. 269), sie sind also Zellen der myeloischen Reihe. Jugendliche Granulocyten haben einen runden Zellkern, reife dagegen einen vielgestaltig gelappten oder eingeschnürten. Es scheint, als seien die Zellkerne in mehrere Teile zerfallen; man spricht deshalb von segmentierten Granulocyten oder, entsprechend dem oben gesagten, von polymorphkernigen Leukocyten. Die Lappung des Zellkerns bedingt eine wesentliche Vergrößerung der Kernoberfläche (Intensivierung von Stoffwechselvorgängen?); die erreichte Streckung des Zellkerns kommt möglicherweise dem bei einer Diapedese (Durchwanderung, nämlich durch Gefäßwände) auftretenden Gestaltwandel der Zellen entgegen. Das Cytoplasma der Granulocyten ist reich an unterschiedlich anfärbbaren Granula; diese Tatsache wurde bei der weiteren Klassifikation der Granulocyten ausgenutzt. Neutrophile6 Granulocyten sind mit 55-65 % die größte Gruppe der Leukocyten. Die weitgehend runden „Neutrophilen“ haben einen Durchmesser von 10-12 µm. Ihr Cytoplasma ist zwar reich an sehr kleinen Granula (Körnchen), diese lassen sich aber weder durch saure noch durch basische Farbstoffe deutlich anfärben: Die Granula stellen mehrheitlich Lysosomen dar, die proteolytische Enzyme enthalten, die im neutralen Bereich ihr Wirkungsoptimum haben. Die Vesikel enthalten auch alkalische und saure Phosphatase, Peroxidase sowie das antibakteriell wirksame Lysozym und das eisenbindende Lactoferrin. Die Neutrophilen können kleine Fremdkörper phagocytieren 7 und diese enzymatisch verdauen; sie heißen deshalb Mikrophagen und dienen der unspezifischen zellulären Abwehr (s. S. 296). Im Blut werden sie nur wenige Tage alt. In Entzündungsherden sind sie wesentlich an der Eiterbildung beteiligt, indem sie dort plat-

Geformte Bestandteile des Blutes

zen, ihre Enzyme freisetzen (z. B. Elastase) und das umliegende Gewebe „einschmelzen“, wie das bei der „Reifung“ eines Furunkels der Fall ist. Nach Aktivierung synthetisieren und sezernieren die Granulocyten darüber hinaus Arachidonsäure, die Vorstufe für die Bildung von Eikosanoiden, einer Gruppe von Gewebshormonen. Dies sind 1. Leucotriene ( Wirkungen: Chemotaxis, Entzündung, Anaphylaxie); 2. Thromboxane (Gefäßkonstriktion, Thrombocytenaggregation); 3. Prostaglandine (Gefäßdilatation, Entzündung, Schmerz). Für die Zerstörung von körperfremden Mikroorganismen oder von Zellen, aber auch im Rahmen der Einschmelzung körpereigener Gewebe (Eiterbildung) bilden die Neutrophilen freie Sauerstoffradikale. Deren Wirkung besteht u. a. in einer Depolymerisation von Kollagenen und Proteoglykanen des Bindegewebes, Denaturierung von Enzymen, Peroxidation von Lipiden. Da am gefärbten Blutausstrich die Granula der Neutrophilen kaum in Erscheinung treten, werden die angefärbten Zellkerne um so deutlicher (Farbtafel 5 a). Die Jugendformen der neutrophilen Granulocyten (bis zu 2 %) haben stabförmige Kerne, die reifen Neutrophilen dagegen 2bis 3segmentige Kerne, und die Altersstadien haben mehrfach segmentige Kerne, sie sind hypersegmentiert. Sofern die stabkernigen Neutrophilen des Blutes vermehrt auftreten, spricht man, entsprechend einer Übereinkunft, von Linksverschiebung gegenüber dem Normalzustand: Dies ist z. B. der Fall, wenn bei einer bestimmten Infektionskrankheit noch unreife, jugendliche Neutrophile vermehrt das Knochenmark verlassen und in den Blutkreislauf eintreten. Sind dagegen die übersegmentierten Neutrophilen vermehrt, so spricht man von einer Rechtsverschiebung. Auch diese hat klinische Bedeutung, z. B. bei bestimmten Formen der Anämie (= Blutarmut). Die segmentierten Kerne der Neutrophilen zeigen gelegentlich Trommelschlegel-artige Anhängsel, „drumsticks“ (BARR8-Körperchen; Farbtafel 5 b; vgl. auch S. 83). Eosinophile Granulocyten. Die bis zu 1 µm großen Granula dieser Zellen sind mit sauren Farbstoffen anfärbbar, z. B. mit Eosin (Farbtafel 5 c). Diese Acidophilie (Eosinophilie) beruht

8

BARR, Murray B., geb. 1908, Prof. der Anatomie, Ontario.

265

u. a. auf dem Gehalt der Granula an basisch reagierenden, unterschiedlichen Proteinen, die als „major basic protein“ (MBP) zusammengefaßt werden und denen cytotoxische Wirkung zukommt. Andere Granula enthalten Peroxidase, Hydrolase, Proteasen, Ribonuclease und saure Phosphatase, sie gelten deshalb als Lysosomen. Auch die Eosinophilen sind amöboid beweglich und phagocytosefähig, gehören also auch zum unspezifischen zellulären Abwehrsystem (s. S. 296). Offenbar entfernen sie Antigen-Antikörper-Komplexe, wie sie z. B. bei Parasitenbefall oder bei allergischen Reaktionen vermehrt auftreten. So verhindern die Eosinophilen eine Überschwemmung des Körpers mit solchen Komplexen. Eosinophile Granulocyten (Durchmesser 1114 µm) haben ebenfalls segmentierte Zellkerne und werden in der Blutbahn 1 bis 2 Wochen alt. Auch sie sind zur Diapedese fähig. Beim Gesunden entfallen 2-4 % der Leukocyten auf die Eosinophilen. Ihre Zahl schwankt deutlich im Tagesablauf, was mit der tagesrhythmischen Periodik der Glukocorticoidausscheidung der Nebennierenrinde zusammenhängt. Bei allergischen Erkrankungen (s. S. 288) wie Asthma, Heuschnupfen, Nesselsucht, Ekzem etc. ist die absolute Zahl der Eosinophilen erheblich gesteigert, und das Blut, in dem die Gesamtleukocytenzahl erhöht ist, erscheint wie von Eosinophilen übersät. Ihre Vermehrung beruht auf der Notwendigkeit, die Masse der anfallenden Antigen-Antikörper-Komplexe zu vernichten sowie freigesetztes Histamin aufzunehmen und zu inaktivieren; insofern gelten die Eosinophilen als Antagonisten von Mastzellen (s. u.) und basophilen Granulocyten. Basophile Granulocyten (Farbtafel 5 d). Ihre Granula sind ebenfalls ca. 1 µm groß und färben sich mit basischem Farbstoff deutlich an; sie enthalten das sauer reagierende Glykosaminoglykan Heparin. Das Heparin ist gerinnungshemmend, es wirkt also dem Gerinnungssystem entgegen, und die basophilen Granulocyten sind insofern Antagonisten der Thrombocyten (s. u.). Außerdem setzen die basophilen Granulocyten Histamin frei und bei allergischen Reaktionen, bei denen der Antikörper (Immunglobulin) IgE (S. 290) beteiligt ist, den sog. plättchenaktivierenden Faktor (PAF), der ebenso wie Peroxidase und proteolytische Enzyme in Granula gespeichert ist. Die Basophilen betreiben so gut

266 Blut

wie keine Phagocytose; sie entlassen vielmehr ihre Granula bzw. Lysosomen, wenn Allergene – das sind Allergien auslösende Antigene – auf sie einwirken. Hierbei entlassen sie auch Leukotriene, die als Mediatoren oder Vermittlerstoffe bereits in geringster Konzentration glatte Muskelzellen zur Kontraktion bringen können, wie dies z. B. beim Bronchospasmus, einer allergisch oder entzündlich bedingten Verengung der Luftwege, der Fall ist. Leukotrien C gilt als „Bronchokonstriktor“. Basophile nehmen im Bindegewebs-Interstitium ganz ähnliche Funktionen wahr wie die ebenfalls Histamin und Heparin enthaltenden Mastzellen (freie Zellen des Bindegewebes, s. S. 108), sie sind aber nicht miteinander verwandt: Sie unterscheiden sich in cytologischen Details, nach ihrer entwicklungsgeschichtlichen Herkunft und nach ihrem Vorkommen. Während Mastzellen das normale bindegewebige Interstitium durchgängig besiedeln, kommen Basophile vor allem in pathologisch veränderten Geweben vor. Der große Zellkern der basophilen Granulocyten ist rund und gelappt und meistens durch die dunkel gefärbten Granula weitgehend verdeckt. Der Zelldurchmesser beträgt um 10 µm. Basophile Granulocyten sind mit 0,3-1 % selten; d. h., auf einen basophilen Granulocyten kommen 200-300 Leukocyten. Die Lebensdauer der basophilen Granulocyten beträgt ca. 1 Tag. Auch die basophilen Granulocyten sind Diapedese-fähig.

zahl lichtmikroskopisch gerade noch erkennbarer Granula, die aufgrund ihres Gehaltes an lytischen Enzymen als Lysosomen zu werten sind. Charakteristisch ist der große, wabig strukturierte und regelmäßig tief nierenartig eingebuchtete Zellkern. Im Blut halten sich die Monocyten nur wenige Tage auf. Sie begeben sich durch die Kapillarwand (Leukodiapedese!) in das Interstitium des Bindegewebes und erreichen hier ein Alter von Monaten, vielleicht auch Jahren. Monocyten sind Phagocytose-fähig und erkennen abbauwürdige Substanzen oder Mikroorganismen über membranständige Rezeptorproteine, die z. B. Immunglobuline binden, die einem Fremdkörper, z. B. einem Bakterium, bereits aufgelagert sind. Die Monocyten gehören zum unspezifischen zellulären Abwehrsystem (s. S. 296). Nach erfolgter Leukodiapedese differenzieren sie sich in unterschiedlichen Körperarealen zu verschiedenen Makrophagenformen, die alle amöboid beweglich sind, und zwar zu Makrophagen des Bindegewebs-Interstitiums, Makrophagen der lymphatischen Organe und des Knochenmarks, KUPFFER-Zellen der Leber, Alveolarmakrophagen der Lunge, Peritonealmakrophagen der Peritoneal- (Bauch)-Höhle und Osteoklasten der Knochen. Alle diese Zellformen, samt dem Monocyt, gehören zum mononucleären Phagocytensystem (MPS).

4.1.2.2

Im strömenden Blut vorkommende Lymphocyten haben mit 6-8 µm Durchmesser etwa die Größe eines Erythrocyten: kleiner Lymphocyt (Farbtafel 5 f ). Auffallend ist der relativ große, chromatinreiche Zellkern, der von einem nur schmalen Cytoplasmasaum umgeben ist. Dieser enthält nur wenige Lysosomen. Lymphocyten phagocytieren nicht. Sie sind wenig amöboid beweglich, Diapedese-fähig und können sich in Entzündungsherden dicht gedrängt anordnen. Im Interstitium befindliche Lymphocyten erscheinen kugelig-rund und werden daher auch als Rundzellen bezeichnet.

Monocyten

Monocyten 9 sind mit 12 bis über 20 µm Durchmesser die größten Leukocyten (Farbtafel 5 e); mit einem Anteil von ca. 4 % der weißen Blutkörperchen sind sie nicht allzu häufig. Ihr wenig strukturiertes Cytoplasma enthält eine Viel-

9

Abkürzung von mononukleären Leukocyten; mónos (gr.) – allein, ein; weil sie im Gegensatz zu den segmentierten mit den scheinbar mehreren Kernen nur einen besitzen.

4.1.2.3

Lymphocyten

Farbtafel 5: Korpuskeln des menschlichen Blutes. Außer Erythrocyten zeigen die Teilbilder: Stabkerniger und segmentkerniger neutrophiler Granulocyt (a); segmentkerniger neutrophiler Granulocyt mit „drumstick“ (Pfeil; b); eosinophiler (c) und basophiler Granulocyt (d); Monocyt (e); großer und kleiner Lymphocyt sowie Gruppe von Thrombocyten (Blutplättchen) (f). Originalaufnahmen; als Präparat diente ein nach PAPPENHEIM gefärbter Blutausstrich; unretuschiert; ca. 2 000:1.

Geformte Bestandteile des Blutes 267

268 Blut

Die zweite Form der Lymphocyten, die großen Lymphocyten, sind mit über 10 µm Durchmesser bedeutend größer als die kleinen (Farbtafel 5 f ). Zellen dieses Typs sind im zirkulierenden Blut selten. Auffallend ist der große, meist homogen angefärbte Zellkern. Das umfangreiche Cytoplasma ist granuliert, und dies entspricht einem relativen Reichtum an Zellorganellen. Ihren Namen verdanken die Lymphocyten dem Umstand, daß sie die Mehrheit der Zellen in der Lymphflüssigkeit sind. Sie werden beim Erwachsenen größtenteils in den lymphatischen Organen gebildet und gelangen von dort über die Lymphbahnen ins Blutgefäßsystem; z. T. entstammen sie auch dem Knochenmark. Bei funktioneller Betrachtung erweisen sich die Lymphocyten als heterogene Zellpopulation, speziell die kleinen Lymphocyten: sie wirken bei unterschiedlichen, charakteristischen Vorgängen der immunologischen Abwehr als noch nicht geprägte, nicht immunkompetente Zellen, als geprägte T-Lymphocyten und B-Lymphocyten sowie als Gedächtniszellen und Plasmazellen (s. S. 292). Die Lebensdauer der Lymphocyten beträgt 1 bis 2 Monate; manche Formen, z. B. Gedächtniszellen, werden vermutlich viele Jahre alt. Im Blut des Erwachsenen sind 20-33 % der weißen Blutkörperchen Lymphocyten. Diese halten sich nur für Stunden in der Blutbahn auf; die Hauptmasse befindet sich im Interstitium bzw. in den Organen des lymphatischen Systems. Es erscheint durchaus möglich, daß viele Lymphocyten überhaupt nie in den Blutkreislauf eingeschleust werden (rechnerisch wurde ermittelt, daß der Körper ca. 1 500 g Lymphocyten besitzt, und hiervon befinden sich nur ca. 3 g in der Blutbahn).

4.1.3

Blutplättchen (Thrombocyten)

Bei den Thrombocyten10 handelt es sich nicht um eigentliche Zellen, sondern um membranumschlossene Zell-Bruchstücke; diesem Umstand wird mit dem Begriff „Blutplättchen“ entsprochen. Die Thrombocyten sind platte, oft rundlich oder unregelmäßig gezackte Körper-

10

thrómbos (gr.) – der Blutklumpen, weil bei der Gerinnung das Blut zu Klumpen zusammenballt; auch: der Pfropf.

chen mit einem Durchmesser von 1 bis 4 µm, die meist in Gruppen zusammen liegen (Farbtafel 5 f ). Der hellere Außenbereich wird Hyalomer genannt. Im Zentrum befinden sich Organellen und granuläre Einschlüsse: Mitochondrien, Glykogen, Lysosomen und vor allem Gerinnungsfaktoren, die zusammengenommen das Granulomer darstellen. Des weiteren enthalten die Thrombocyten Adrenalin, Noradrenalin und Serotonin, also Stoffe mit vasokonstriktorischer Wirkung, die den Verschluß kleiner blutender Gefäße unterstützen, und Enzyme, die zur Bildung von Thromboxan A, einem ebenfalls vasokonstriktorischen Abbauprodukt der Arachidonsäure, führen (s. S. 286). Hauptfunktion der Thrombocyten ist es allerdings, die Blutgerinnung zu ermöglichen (s. S. 281ff). Hierbei spielt das ebenfalls in den Blutplättchen vorkommende Adenosindiphosphat (ADP) eine besondere Rolle, das die Thrombocyten-Aggregation einleitet (s. S. 282). Des weiteren produzieren die Thrombocyten einen hormonartig wirksamen Wachstumsfaktor, den „platelet derived growth factor“ (PDGF). Die Thrombocyten erreichen ein Alter von ca. 1 Woche. Überalterte Blutplättchen werden in der Milz phagocytiert. Da die Blutplättchen bei der Herstellung eines Blutausstrichs leicht zerplatzen, ist ihre zahlenmäßige Bestimmung nicht einfach. Man rechnet mit 300 000 bis 600 000 Thrombocyten pro µl Blut.

4.2 Blutbildung Die Blutbildung findet während des ganzen Lebens statt; sie beginnt in der Embryonalzeit und endet mit dem Tod. Da die Blutzellen nur eine relativ kurze Lebensdauer haben, müssen sie laufend nachgebildet werden. Der Bildungsort der Blutzellen ist über die einzelnen Altersstufen des Menschen nicht konstant. So werden Erythrocyten und Leukocyten beim Fetus (z. B. im 5. Entwicklungsmonat) hauptsächlich in der Leber und der Milz gebildet, beim Neugeborenen überwiegend im Knochenmark und beim Erwachsenen die Erythrocyten sowie die meisten Formen der Leukocyten im Knochenmark, die Lymphocyten fast ausschließlich in den lymphatischen Organen. Im folgenden wird die Blutbildung des Erwachsenen beschrieben.

Blutbildung

4.2.1

Blutbildung im Knochenmark

Das Knochenmark des Erwachsenen hat ein Gesamtgewicht von ca. 2 600 g. Es erfüllt das Innere aller Knochen, sowohl der spongiös gebauten als auch der Röhrenknochen. Die Blutbildung findet nur im roten Knochenmark (Abb. 4/3c) statt, dessen Anteil ca. 1 500 g ausmacht. Es befindet sich mit seiner Hauptmasse in der Spongiosa platter Knochen (Schädel) und kurzer Knochen (Rumpf, Handwurzel), außerdem in den verdickten Enden der Röhrenknochen, die ebenfalls eine Spongiosa besitzen. Die für lange Röhrenknochen typischen Markhöhlen sind dagegen von Fettgewebe erfüllt, dem gelben oder weißen Knochenmark. Rotes und gelbes Knochenmark sind lediglich unterschiedliche Funktionszustände desselben Organs, das dem Mesenchym entstammt und aus nur wenig differenziertem reticulären Bindegewebe besteht, dessen Reticulumzellen zeitlebens teilungsbereit sind. Diese Zellen können sich zu Blutbildungszellen oder Fettzellen differenzieren, je nach Bedarf. Auch ist es möglich, daß die Fettzellen des Knochenmarks sich zu Reticulumzellen zurückbilden und diese sich dann zu Blutbildungszellen weiterentwickeln (metaplastische Umwandlung). Bei der Blutbildung des Erwachsenen gehen aus den teilungsfähigen Reticulumzellen, den Hämocytoblasten, Tochterzellen hervor, die sich einerseits zu den Stammzellen der roten Blutkörperchen (Erythroblasten), andererseits zu den Stammzellen bestimmter Leukocyten, wie der Granulocyten (Myeloblasten)11, eines Teils der Lymphocyten (Lymphoblasten) und der Monocyten (Myeloblasten, evtl. auch eigenständige Monoblasten) differenzieren. Die einzelnen Entwicklungslinien der Blutzellbildung stehen jeweils unter dem Einfluß spezifischer Wachstumsfaktoren, die als koloniestimulierende Faktoren (CSF) zusammengefaßt werden: Koloniestimulierend deshalb, weil im Retikulinfaser-Maschenlückensystem des Knochenmarks die Blutbildungszellen einer Ent-

11 12 13

myelós (gr.) – Mark; blastánein (gr.) – bilden. poiëo (gr.) – herstellen. sinus (lat.) – die Bucht, der Busen, hier die Erweiterung; mit diesem Ausdruck werden häufig weite Bluträume belegt, s. Milz S. 351, Leber S. 432, Dura S. 253, aber auch die Nasennebenhöhlen.

269

wicklungslinie nicht einzeln, sondern in Haufen oder Nestern zusammenliegen und somit colony forming cells (CFS) oder colony forming units (CFU) darstellen, die CSF-abhängig sind. Beispielsweise stimuliert ein G-CSF (granulocytenkoloniestimulierender Faktor) eine CFS oder CFU, die Myeloblasten-Nachfahren umfaßt, die sich zu Granulocyten differenzieren. Der multiCSF (multikoloniestimulierender Faktor, auch IL 3 = Interleucin 3) ist sowohl für die Erythropoese als auch die Granulopoese, Mono(cyto)poese und Thrombopoese der entsprechende Stimulator, usw. Weitere Hormone beeinflussen zusätzlich die Blutbildung, wie das Erythropoetin die Erythropoese (s. unten). 4.2.1.1

Erythropoese

Die Entwicklung der Erythroblasten zu Erythrocyten (Abb. 4/3c und Farbtafel 6) erfolgt über eine Reihe von Zwischenzell-Stadien; den Vorgang nennt man Erythropoese 12. Aus den noch teilungsfähigen Erythroblasten gehen kleinere Tochterzellen hervor, die durch ein basophiles Cytoplasma (= gut entwickeltes rauhes endoplasmatisches Reticulum = Proteinsynthese) auffallen, das zunehmend mit Hämoglobin angereichert wird. Letzlich runden sich die Zellen ab, stoßen unter Kontraktionsbewegungen ihren Zellkern aus und erhalten dabei ihre Scheibchenform. Die nun fertigen Erythrocyten werden dann in die reich vorhandenen ca. 50-100 µm weiten Kapillargefäße, die Knochenmarksinus13 (Farbtafel 10, S. 329), „ausgeschwemmt“. Diesen Vorgang hat man bislang nicht endgültig klären können. Da die Sinus-Wand keine Poren besitzt, durch die die Erythrocyten in die Blutbahn eintreten könnten, nimmt man an, daß angestaute Erythrocyten-Kolonien in die Gefäß-Lichtung „hineinplatzen“, und dabei die Sinus-Wand kurzfristig zerreißen. Die Erythropoese ist im Hinblick auf ihren Normalverlauf oder ihre krankhaft bedingte Beschleunigung über ein vermehrtes Auftreten von noch Reste des rauhen endoplasmatischen Reticulum (rER) enthaltenden Erythrocyten in der Blutbahn, sog. Reticulocyten, beurteilbar: Reticulocyten sind die letzte, noch unreife Bildungsstufe der Erythrocyten und befinden sich im Knochenmark. Ihre körnigen oder netzartigen, noch nicht ausgestoßenen OrganellReste werden „Substantia granulosa-reticulofilamentosa“ genannt. Im Blut des Gesunden sind

270 Blut

5 bis 10 ‰ der roten Blutkörperchen Reticulocyten. Bei einer Beschleunigung der Erythropoese, z. B. nach starken Blutverlusten, kann der Anteil der Reticulocyten auf bis zu 50 % der Erythrocyten ansteigen. Auch bei gesteigertem Erythrocyten-Abbau werden solche Werte festgestellt; ein Zeichen überhasteter Erythropoese. Nachdem die reifen Erythrocyten alle Mitochondrien verloren haben, sind sie auf die Glykolyse zur Energiegewinnung angewiesen. Außer dem o. g. multi- CSF wirkt auf die Erythropoese und speziell die Hämoglobin-Synthese in Erythroblasten ein Glykoproteinhormon, das Erythropoetin, stimulierend. Dieses Hormon hat ein Molekulargewicht von ca. 30 000 Dalton und eine Halbwertszeit von 1-2 Tagen. O2-Mangel im atmenden Gewebe (= Absinken des O2Partialdruckes) führt zu einer Erhöhung des Erythropoetin-Spiegels im Blut und damit zu einer Erhöhung der Erythrocyten-Bildungsrate. Ist durch vermehrte Bereitstellung von Erythrocyten der O2-Mangel beseitigt, dann sinkt der Erythropoetin-Spiegel wieder (S. 381). Der Niere wird bei der Erythropoetin-Bildung eine Hauptfunktion zugesprochen, Leber und Unterkiefer-Speicheldrüse sollen mitbeteiligt sein. Die Niere bildet nicht direkt das wirksame Hormon, sondern ein Enzym, Renaler Erythropoetischer Faktor genannt, das im Blut aus einem Plasmaglobulin das Glykoproteinmolekül Erythropoetin abspaltet (s. S. 489). – Darüber hinaus wird die Erythropoese wahrscheinlich auch vom Zentralnervensystem beeinflußt. Eisen. Die Erythropoese bzw. die HämoglobinBildung ist eisenabhängig (s. S. 276). Die gesamte Menge des Eisens im Körper beträgt bei der erwachsenen Frau ca. 2,5 g, beim Mann ca. 3,3 g. Hiervon sind 60-70 % an Hämoglobin gebunden, 10 % des Eisens befinden sich im Myoglobin oder an eisenhaltige Enzyme angelagert, der Rest liegt als Speichereisen im Ferritin oder im Hämosiderin vor. Die Eisenaufnahme

aus der Nahrung ist am Bedarf orientiert. Vom Eisen, welches mit der Nahrung aufgenommen wird, werden zwischen 6 und 25 % resorbiert. Nach Resorption des Eisens im Darm wird dieses an ein Plasmaprotein (Apotransferrin) gebunden. Überschüssiges Eisen wird in den Geweben, insbesondere in der Leber, an Ferritin angelagert und steht als Speicher-Eisen zur Verfügung. Eisen kann auch wieder in das Darmlumen abgegeben werden. Eisen, welches an Hämosiderin gebunden ist, kann nur sehr langsam wieder frei werden. Dreiwertiges Eisen wird im salzsäurehaltigen Magensaft aus der Nahrung freigesetzt. Es kann anschließend zu zweiwertigem Eisen reduziert werden, das bei neutralem pH-Wert resorbierbar ist. Von den Zellen des Duodenums kann das Eisen ins Blut transportiert oder an Ferritin angelagert werden. In dieser Form stellt es eine schnell verfügbare Eisenreserve dar. Das aus zerfallenden Erythrocyten freiwerdende Häm-Molekül wird von Leberzellen aufgenommen und dessen Eisen zu etwa 97 % wiederverwertet. Eisenmangel kann eine Anämie erzeugen, wobei Störungen der Eisenresorption, starke Blutverluste, erhöhter Eisen-Bedarf, z. B. während der Schwangerschaft, oder erhöhter Verbrauch bei Infekten Ursachen sein können. Ein Mangel an Cobalamin (Vitamin B12) oder an Folsäure führt zu einer anderen Form der Anämie, wobei die einzelnen Erythrocyten vergrößert sind, aber ihre Anzahl im Blut stark vermindert ist. Die Ursache kann eine Störung des sog. Intrinsic-Faktors in der Magenwand sein, aber auch verminderte Folsäureabsorption durch eine allgemeine Störung der Nahrungsaufnahme. Diese Form der Anämie heißt perniciöse Anämie oder BIERMERsche Anämie.

4.2.1.2

Granulopoese

Während der Granulopoese (Farbtafel 6) differenzieren (s. S. 29) sich die Myeloblasten zu den drei Formen der Granulocyten. Die Myeloblasten sind relativ selten und nur schwer von den Erythroblasten unterscheidbar; am ehesten noch über einen positiven Aktivitätsnachweis des En-

Farbtafel 6: Zeichnerische Zusammenstellung der Blutkörperchen des Menschen. Oberhalb des Querstrichs ist die Blutbildung im Knochenmark, unterhalb des Striches sind die freien Korpuskeln des fließenden Blutes dargestellt. 1-7 rote Blutkörperchen: 1 – Proerythroblast; 2 – Makroblast; 3, 4 – Normoblasten (Erythroblasten); 5 – Erythrocyten von normaler Größe (Normocyt); Variationen: 6 – Mikrocyten; 7 – Makrocyten. 8-18 Granulocyten; 8 – Promyelocyt; 9 – unreifer, 10 – halbreifer, 11 – reifer neutrophiler Myelocyt; 12 – neutrophiler Metamyelocyt; 13 – jugendlicher, 14 – stabkerniger neutrophiler Granulocyt; 15, 16 – segmentkernige neutrophile Granulocyten; 17 – eosinophiler Granulocyt; 18 – basophiler Granulocyt; 19 Monocyt; 20 – Thrombocyten; 21 – kleiner; 22 – großer Lymphocyt. 1 600:1.

Blutbildung

271

272 Blut

zyms Peroxidase, das in einer bestimmten Fraktion der sich entwickelnden Granula enthalten ist. Die Entwicklung der Stammzellen zu den drei verschiedenen Granulocytenarten wird durch die entsprechenden humoralen Mediatoren (G-CSF, Eo-CSF) und vor allem durch die Interleukine IL3 und IL5 stimuliert. Die Kerne von Zellen unreifer Entwicklungsstadien sind noch rund, zu späterem Zeitpunkt erscheint der Zellkern eingedellt, dann wurstförmig verlängert und gebogen und bei der reifen Zelle schließlich segmentiert. Normalerweise gelangen nur ausgereifte Granulocyten in die Blutbahn, und zwar durch Leukodiapedese. Werden im Blut vermehrt auch jüngere Formen gefunden, dann läßt das auf überstürzte Bildung und Ausschüttung der Zellen aus dem Knochenmark schließen, was aus vielerlei Krankheitsursachen geschehen kann (Linksverschiebung! s. S. 265). 4.2.1.3

Lymphopoese

Die Bildung der Lymphocyten – Lymphopoese – findet beim Erwachsenen überwiegend in den lymphatischen Organen statt, zu einem kleinen Teil jedoch auch im Knochenmark. Die Stammzellen aller Lymphocyten befinden sich dagegen alle im Knochenmark und besiedeln von dort aus die lymphatischen Organe. Dies ist schon vor, vor allem aber kurz nach der Geburt der Fall. Die Lymphoblasten sind größer als die großen Lymphocyten und differenzieren sich – über Zwischenzellformen – zu den Lymphocyten der B- und T-Reihe, beim Erwachsenen bevorzugt zu B-Lymphocyten (vgl. S. 292). Wegen ihrer spezifischen Prägung in den primären lymphatischen Organen werden zwei Arten von Lymphocyten unterschieden. Ca. 80 % der Lymphocyten im Blut sind T-Lymphocyten (s. S. 292). Sie werden unter dem Einfluß von Thymopoetin und Interleukin 2 im Thymus geprägt. Ihre Aufgabe besteht in der Vermittlung zellulärer Immunreaktionen. Die B-Lymphocyten machen etwa 12-15 % der Blutlymphocyten aus. Sie werden in einem Organ geprägt, das als BursaÄquivalent bezeichnet wird und wahrscheinlich das Knochenmark ist. Sie wandeln sich nach ihrer Aktivierung in Plasmazellen um und produzieren spezifische Antikörper (s. S. 294). Sowohl B- als auch T-Lymphocyten besiedeln nach ihrer Prägung die sekundä-

14

mégas (gr.) – groß; káryon (gr.) – der Kern.

ren lymphatischen Organe (Lymphknoten, Milz, PEYERsche Plaques des Darms usw.). Eine 3. Gruppe (2,5 % der Blutlymphocyten) sind sog. N K-Zellen (Natürliche KillerZellen). Sie sind an der antikörperunabhängigen Cytotoxizität beteiligt.

4.2.1.4

Monocytopoese

Die Entwicklungsreihe der Monocytopoese ist im Hinblick auf die Stammzellen nicht eindeutig geklärt: Es ist strittig, ob eigenständige Monoblasten auftreten; möglicherweise entstehen die Monocyten aus Myeloblasten. Auch die Differenzierung der Monocyten erfolgt in mehreren Schritten. Der humorale Faktor M-CSF bewirkt die Differenzierung. Bei einer geschwulstartigen (krebsähnlichen) Erkrankung der Bildungszellen für weiße Blutkörperchen, der Leukämie, werden abnorme, unreife, also für die Funktion untaugliche Leukocyten in das Blut ausgeschüttet, die zudem noch eine verlängerte Lebensdauer gegenüber normalen Leukocyten haben. Auch treten an den ehemaligen Blutbildungszentren Milz und Leber wieder Leukocytenbildungsherde auf. Das Blut erscheint wie übersät mit den unreifen Formen (bis 500 000/µl). Die Leukocyten entziehen dem Blut und somit dem Körper große Mengen an Reserve-Proteinen. Normale reife, funktionsfähige Leukocyten sind bei Leukämie selten oder fehlen ganz (Abb. 4/3 b).

4.2.1.5

Thrombopoese

Im roten Knochenmark erfolgt auch die Bildung der Blutplättchen, die Thrombopoese. Thrombocyten entstehen aus Knochenmarksriesenzellen, den Megakaryocyten14. Diese sind mit 50-150 µm Durchmesser vielfach größer als alle anderen Blutbildungszellen. Charakteristisch ist deren Polyploidie (s. S. 30): Durch mehrfache endomitotische und unvollständige Teilung des Zellkerns entsteht ein umfangreicher gelappter und untergliederter Kernkomplex, der mehrere Chromosomensätze enthält (Abb. 4/3d ). Das Cytoplasma reifer Megakaryocyten ist reich an Zellorganellen, v. a. an Granula (dem Vorläufermaterial des Granulomers). Die Thrombocyten entstehen durch Abschnürung von rundlichen, lappenartigen Cytoplasmabezirken, aber auch durch Zerfall ganzer Megakaryocyten. Erst die fertigen Blutplättchen gelangen in die Blutbahn.

Blutplasma und Serum 273

4.3 Blutplasma und Serum Der flüssige Bestandteil des Blutes, das P1asma, macht durchschnittlich 56 % des Blutvolumens aus. 90 % des Plasmas (und damit fast 80 % des Gesamtblutes) ist Wasser. Dieses enthält in gelöster Form 6-8 % hochmolekulare Stoffe, vorwiegend Eiweiße, sowie niedermolekulare Substanzen wie Kohlenhydrate (60120 mg/100 ml), Fette und Lipide (50-80 mg/ 100 ml), Aminosäuren (ca. 50 mg/100 ml) und Mineralstoffe, die für den Stoffwechsel der peripheren Organe benötigt werden. Abbauprodukte des Stoffwechsels, insbesondere stickstoffhaltige Verbindungen wie Harnstoff, Harnsäure, Gallenfarbstoffe u. a., werden über das Blut zur Niere transportiert. Die Summe der nach Ausfällen der Proteine verbleibenden Stickstoffverbindungen wird als Reststickstoff (Rest-N) bezeichnet. Dieser beträgt normalerweise 20-

Abb. 4/4: Elektrophoretische Auftrennung des menschlichen Serums. Das in einer Pufferlösung suspendierte Serum besteht aus elektrisch geladenen Teilchen, welche im Gleichspannungsfeld wandern. Die Elektrolytnatur dieser Eiweißmoleküle beruht auf der Ionisierbarkeit ihrer Amino- und Carboxylgruppen. Die elektrophoretische Wanderungsgeschwindigkeit wird durch die angelegte Spannung, die Größe und Gestalt der Moleküle und deren elektrischer Ladung bestimmt. Letztere hängt vom Abstand des isoelektrischen Punktes vom pH der Lösung ab. Bei neutraler Reaktion wandern die Eiweißkörper im elektrischen Feld mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zur Anode. Hierzu wird ein spezieller Papierstreifen verwendet, über den die Serumeiweiße wandern (oben). Der Mittelteil der Abb. zeigt die photometrisch ermittelten Konzentrationen der Serumproteine, der untere Teil den angefärbten Papierstreifen.

35 mg/100 ml. Erkrankungen der Niere können durch eine Erhöhung des Reststickstoff-Wertes (60-100 mg/100 ml) angezeigt werden. Die Eiweißstoffe des Blutplasmas sind ein Gemisch von z. Z. etwa 100 gut trennbaren Proteinen. (Die Gesamtzahl ist wesentlich höher.) Viele von ihnen werden in der Leber synthetisiert und in das Plasma sezerniert. Läßt man das Blut oder das Blutplasma gerinnen, so erhält man nach Abscheidung der unlöslichen Anteile das Serum, in dem mit Ausnahme des Gerinnungsproteins Fibrinogen alle Plasmaproteine gelöst sind. Mit Salzen lassen sich aus dem Serum zunächst Globuline, bei höheren Salzkonzentrationen das Albumin ausfällen. Diese Methode der Trennung hat allerdings nur noch historische Bedeutung. Durch Elektrophorese (Abb. 4/ 4) lassen sich neben dem Albumin verschiedene heterogene Globulinfraktionen auftrennen, die man als α-, β- und γ-Globuline bezeichnet. Eine Übersicht über die wichtigsten Plasmaproteine gibt Tab. 4/2.

274 Blut Tab. 4/2: Mittlere Konzentrationen der wichtigsten Serumproteine.

Gesamteiweiß Präalbumin Albumin α1 Globuline α1 Antitrypsin α1 Lipoprotein α1 Glykoprotein α2 Globuline α2 Antitrypsin α2 Makroglobulin α2 Haptoglobin Caeruloplasmin α2 Glykoprotein β Globuline β Liporotein Transferrin Fibrinogen Hämopexin γ Globuline Ig G Ig A Ig M Ig D Ig E Lysozym

Konzentration in mg/100 ml (mg %) 6500 – 8500 10 – 40 3500 – 5000

Biologische Funktion

Transport von Thyroxin Osmot. Druck, Transport, pH

150 250 50

– – –

300 750 150

Inhibitor für Trypsin Transport von Fetten und Lipiden ?

200 150 70 20 40

– – – – –

400 400 220 45 85

Inhibitor für Trypsin Plasmin-Inhibitor Bindung von freiem Hämoglobin Oxidase, Bindung von Cu2+ ?

290 200 200 70

– – – –

950 400 450 130

Transport von Fetten und Lipiden Eisentransport Blutgerinnung Häminbindung

800 90 60 0,3 0,01 0,5

– – – – – –

1800 400 250 40 0,43 1,5

Das Albumin ist ein einheitliches Protein vom Molekulargewicht 69 000 Dalton und stellt mit ca. 60 % den größten Anteil der Plasmaproteine dar. Es dient der Aufrechterhaltung des kolloidosmotischen Drucks, der pH-Regulation des Blutes sowie, aufgrund seiner hohen Bindungskapazität für niedermolekulare Stoffe, dem Transport schwerlöslicher Verbindungen im Blut. Lipide, Gallenfarbstoffe (Abbauprodukte des Hämoglobins), Hormone, Cholesterin oder auch körperfremde Stoffe wie Penicillin, Sulfonamide, andere Arzneimittel oder Quecksilber werden an Albumin gebunden. Störungen der Leberfunktionen werden häufig durch Erniedrigung der Albuminkonzentration angezeigt. Die Globuline sind eine sehr heterogene Klasse von Plasmaproteinen mit unterschiedlichen Funktionen. Zu den α-Globulinen zählen eine Reihe von Proteinen des Blutgerinnungssytems (Prothrombin), spezifische Bindungsproteine für Hormone (Transcortin, Thyroxin-bindendes Globulin), für Metalle (Caeruloplasmin) oder für Lipide (Apolipoproteine). Zu den β-Globu-

Antikörper Antikörper (in Sekreten) Antikörper Antikörper Antikörper Auflösung von Bakterien

linen zählen andere Lipoproteine, Transferrin (Eisentransport), Fibrinogen (Blutgerinnung) und Faktoren des Komplementsystems (Immunabwehr). Die Fraktion der γ-Globuline enthält vor allem die große Gruppe der Immunglobuline, die als Schutz- und Abwehrstoffe gebildet werden. Verschiebungen der Proportionen der einzelnen Plasmaproteinfraktionen treten auf bei Erkrankungen der Leber, der Niere, bei entzündlichen oder malignen Prozessen und geben daher einen wichtigen, allerdings nicht sehr spezifischen Hinweis auf krankhafte Veränderungen. Die Bluteiweißkörper erfüllen folgende Funktionen: 1. Nährfunktion. Die in etwa 3 l Plasma eines Erwachsenen gelöste Menge von ca. 200 g Protein stellt ein schnell verfügbares Eiweißreservoir dar, das von Zellen des reticuloendothelialen Systems (s. S. 296) aufgenommen werden kann. Diese zerlegen sie mit Hilfe von Enzymen (Proteasen) in Amino-

Blutplasma und Serum 275 Tab. 4/3: Mittlere Konzentrationen der wichtigsten Elektrolyte, Spurenelemente, Substrate und Stoffwechselprodukte im Serum. Konventionelle Maßeinheiten Elektrolyte Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl– Phosphat Spurenelemente Eisen Kupfer Zink Blei Lipide und Substrate Gesamtlipide Cholesterin Triglyceride Phospholipide Glucose Galactose Milchsäure Stoffwechselprodukte Harnstoff Harnsäure Männer Frauen Kreatin Kreatinin Ammoniak Bilirubin (gesamt) Gallensäuren Blutgase O2 PO 2 PCO2 Bicarbonat pH Basenüberschuß

SI-Einheiten

135 3,5 4,5 1,3 95 2,4

– – – – – –

150 mval/l 5,5 mval/l 5,0 mval/l 1,8 mval/l 108 mval/l 4,8 mg/100 ml

80 80 80 0

– – – –

140 130 150 20

µg/100 ml µg/100ml µg/100 ml µg/100 ml

300 100 50 125 70 0 6

– – – – – – –

880 300 200 230 110 10 17

mg/100 ml mg/100 ml mg/100 ml mg/100 ml mg/100 ml mg/100 ml mg/100 ml

3,0 2,6 0,5 1,6 4 0 0,7

20 2,7 2,0 0,2 0,4 60 0,2 0

– – – – – – – –

60 6,8 6,3 0,5 1,2 100 1 4,3

mg/100 ml mg/100 ml mg/100 ml mg/100 ml mg/100 ml µg/100 ml mg/100 ml µg/100 ml

3,3 160 120 15 36 35 3,4

15 75 35 21 7,35 –3

– – – – – –

23 100 45 27 7,45 +3

säuren und geben sie in das Blut zurück; die Aminosäuren gelangen dann durch Diffusion oder Co-Transport (s. S. 45 und S. 50) zu den zu versorgenden Zellen. 2. Transportfunktion. Zahlreiche niedermolekulare Verbindungen werden an Plasmaproteine gebunden und mit ihnen zu den Verbrauchsorten transportiert. 3. Trägerfunktion. Plasmaproteine binden bluteigene Stoffe, wie z. B. Calcium, das mit dem nichtgebundenen Calcium in einem Gleichgewicht steht.

Vol. % Torr Torr mval/l mval/l

135 3,5 2,25 0,65 95 0,77 14 12 12 0

10 4,6 21 7,35 –3

– 150 – 5,5 – 2,5 – 0,9 – 108 – 1,55 – – – – – – – – – – –

25 20 30 1 8,8 7,7 2,25 3,0 6 0,55 1,9

mmol/l mmol/l mmol/l mmol/l mmol/l mmol/l µmol/l µmol/l µmol/l µmol/l g/l mmol/l mmol/l mmol/l mmol/l mmol/l mmol/l

– 10 – 400 – 375 – 38 – 110 – 60 – 17

mmol/l µmol/l µmol/l µmol/l µmol/l µmol/l µmol/l

– 13,3 – 6,0 – 27 – 7,45 – +3

kPa kPa mmol/l mmol/l

4. Erzeugung des kolloidosmotischen Drucks. Dieser reguliert die Wasserverteilung zwischen Blutplasma und extravasalem Raum (s. S. 337). Hierbei ist das Albumin aufgrund der Kleinheit seines Moleküls und seiner Gesamtmasse von besonderer Bedeutung. 5. Pufferfunktion. Plasmaeiweißkörper können mit Basen und Säuren Salze bilden, so daß sie einen Beitrag zur Aufrechterhaltung eines konstanten pH-Werts (s. S. 280) liefern.

276

Blut

6. Schutz vor Blutverlusten. Im Plasma ist der Bluteiweißkörper Fibrinogen enthalten, der zusammen mit anderen im Plasma vorkommenden Faktoren an der Blutgerinnung beteiligt ist und so die Abdichtung eröffneter Blutbahnen ermöglicht (s. S. 281). 7. Abwehr von Krankheitserregern. Dabei sind vor allem die γ-Globuline beteiligt (s. S. 289). Die niedermolekularen Substrate, insbesondere Glucose und Aminosäuren, werden für den Stoffwechsel der peripheren Organe, Glucose auch für den Stoffwechsel der Erythrocyten, benötigt. Ihre Konzentrationen sind normalerweise innerhalb relativ enger Grenzen konstant (Homöostase). Auffällige Veränderungen der Konzentrationen zeigen Störungen des Stoffwechsels und seiner Regulation an. Ebenso zeigen auffällige Veränderungen in den Konzentrationen der Stoffwechselprodukte Harnstoff, Kreatinin oder Bilirubin pathologische Zustände, insbesondere der Niere, an. Die Konzentration an anorganischen Salzen im Plasma beträgt etwa 1 %. Mehr als 90 % hiervon sind Natriumsalze, die ebenso wie Kalium-, Calcium- und Magnesiumsalze vorwiegend als Chloride und Bicarbonate vorliegen. Sie sind außerordentlich wichtig zur Aufrechterhaltung des osmotischen Drucks. Deshalb muß ein Blutersatzmittel (RINGERsche Lösung oder TYRODELösung) denselben Prozentsatz an anorganischen Salzen enthalten wie das Blut. Für die Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit der Gewebe ist ein bestimmtes Verhältnis der einzelnen Mineralbestandteile erforderlich. Calcium (normal 8-10 mg/100 ml Blut) spielt unter anderem bei Nerven- und Muskelerregungen eine Rolle. Es ist zudem für die Bildung der Knochen notwendig. Phosphate spielen im Stoffwechsel aller Zellen eine entscheidende Rolle. Der Salzgehalt des Blutes wird vornehmlich über die Nieren reguliert. In Tab. 4/3 sind die Serumkonzentrationen der wichtigsten Elektrolyte, Spurenelemente, Lipide, Substrate, Stoffwechselprodukte und Blutgase zusammengestellt. Blutkörperchen-Senkungs-Geschwindigkeit (BSG). Ist das Verhältnis, in dem die Plasmaproteine untereinander stehen, verändert, dann äußert sich das in einer Veränderung der Geschwindigkeit der Blutsenkung: Verhindert man die Blutgerinnung z. B. durch Fällen des Calciums mit Natriumcitrat und füllt das Blut in ein 20 cm hohes graduiertes Glasröhrchen, dann setzen sich die zunächst homogen suspendier-

ten Erythrocyten ab, und es bildet sich eine scharfe Trennschicht zwischen klarem, reinem Plasma und der Zellsuspension. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Blutkörperchen absenken, liegt beim Mann bei 35 mm in der 1. Stunde und bei 15 mm in der 2. Stunde; bei der Frau um 3-8 mm (1. Stunde) und bei 20 mm (2. Stunde). Bei manchen pathologischen Veränderungen des Verhältnisses von Albumin zu Globulin wird die Senkungsgeschwindigkeit erheblich beschleunigt, was unter anderem auch auf das Auftreten bestimmter Plasmafaktoren (Agglomerine) zurückgeführt werden kann, die die Erythrocyten reversibel zusammenballen (agglomerieren). Der Arzt erkennt an der beschleunigten Blutsenkung, daß eine Störung im Eiweißbestand des Blutes vorliegt, aber nicht, um welche Erkrankung es sich handelt. Manche Krankheiten, z. B. perniciöse Anämie, sind mit Verminderungen der BSG verbunden.

4.4 Gastransport und Pufferung des Blutes 4.4.1

Hämoglobin

Der Blutfarbstoff in den roten Blutzellen heißt Hämoglobin. Hämoglobin verleiht den Erythrocyten ihre wichtigsten Funktionen: Transport von Sauerstoff und Kohlendioxid sowie die Beteiligung bei der Regulierung des pH-Wertes im Körper (Pufferfunktion). Hämoglobin ist ein zusammengesetzter Eiweißkörper (Proteid). Er besteht aus einer Eiweißkomponente, dem Globin, das seinerseits aus vier Polypeptidketten mit je einer Farbstoffkomponente – dem Häm – zusammengesetzt ist. Die einzelne Kette mit dem daran hängenden Häm wird als Hb bezeichnet. Das Molekulargewicht des gesamten Moleküls beträgt etwa 64 500 Dalton (jede der vier Grundeinheiten hat ein Molekulargewicht von ca. 16 000). Das Gesamtmolekül ist gewunden, was ihm eine annähernd kugelförmige Gestalt gibt. Die Hämgruppen sind in oberflächliche Nischen des Moleküls eingelagert. Das Häm, das die Funktion der Sauerstoffbindung erfüllt, ist ein Protoporphyrin (s. Abb. 4/5), welches ein zweiwertiges Eisen als Zentralatom enthält. Das Protoporphyringerüst besteht aus je vier Pyrrolringen, die über Methinbrücken miteinander verbunden sind und charakteristische Seitenketten tragen. Das eingelagerte Eisenatom ist mit zwei Haupt- und zwei Nebenvalenzen

Gastransport und Pufferung des Blutes 277

Abb. 4/5: Modell der dreidimensionalen Struktur des Hämoglobins (HbA). Das Protein ist aus zwei αKetten (blau) und zwei β-Ketten (grau) aufgebaut. An jede Kette ist eine Hämgruppe (rot) über das zentral eingelagerte Eisenion (grün) angelagert. Ein Histidinrest der Globinkette ist für die Bindung des Hämeisens verantwortlich. Ein weiterer Histidinrest vermittelt die Bindung von Sauerstoff. Der chemische Aufbau der Hämgruppe ist rechts vom Strukturmodell dargestellt.

an das Porphyrin gebunden. Zwei weitere Nebenvalenzen sind für die Bindung an das Protein und die lockere Bindung von Sauerstoff verantwortlich. Wenn der Sauerstoffdruck (Partialdruck) ansteigt, kommt es zu einer Oxygenierung (lockere Sauerstoffbindung) des Hämoglobins. Wenn der Sauerstoffdruck abfällt, kann er leicht wieder abgegeben werden (Desoxygenierung des Hämoglobins). Beim Erwachsenen (Adulten) bilden zwei Alpha-Polypeptidketten mit jeweils 141 Aminosäuren und zwei Beta-Polypeptidketten mit jeweils 146 Aminosäuren die Eiweißkomponente des Hämoglobins (HbA). Beim Feten befinden sich anstelle der Beta-Ketten sog. Gamma-Ketten mit einer anderen Aminosäuresequenz (HbF). Die Hämoglobinkonzentration des menschlichen Blutes beträgt beim Mann 153 g/l und bei der Frau 145 g/l. Beim Neugeborenen ist die Konzentration größer (190 g/l). Im Verlauf des ersten Lebensjahres fällt das Hämoglobin auf 110 g/l ab und steigt dann langsam auf den Wert

des Erwachsenen an. Alle Werte sind als grobe Richtwerte anzusehen. Bei Menschen, die in größerer Höhe leben, steigt die Hämoglobinkonzentration als Folge der Anpassung an Sauerstoffmangel langsam an. Hierbei spielt das Erythropoietin (s. S. 270) eine wichtige Rolle. Die Hämoglobinbeladung eines einzelnen Erythrocytcn (Färbekoeffizient) beträgt im Mittel 30 · 10–12 g (= 30 pg) Hämoglobin.

4.4.2

Sauerstofftransport im Blut

Ein Teil des Sauerstoffs wird wie die anderen Atemgase im Blut in physikalisch gelöster Form als O2 transportiert. Die Menge des gelösten Sauerstoffs beträgt 0,3 ml/100 ml Blut und hängt ab von einer Proportionalitätskonstanten (dem BUNSENschen Löslichkeitskoeffizienten) sowie dem Partialdruck des Gases. Obgleich die Menge des physikalisch gelösten Sauerstoffs sehr gering ist, so ist sie doch für die Versorgung des

278 Blut

Abb. 4/6: Sauerstoff-Bindungs(Dissoziations)-kurven des Hämoglobins: bei 10,6 kPa (= 80 mm Hg) CO2-Druck und 5,3 kPa (= 40 mm Hg) CO 2-Druck sowie die Sauerstoffbindungskurve des Myoglobins. Der senkrechte Pfeil zeigt, daß bei teilweiser Entsättigung des Hämoglobins das Myoglobin noch stark aufgesättigt ist (Sauerstoffspeicher). Die Entsättigung erfolgt bei wesentlich niedrigeren O2-Drücken als die des Hämoglobins (waagrechter Pfeil).

Abb. 4/7: Alkali-Äquivalente/mol des sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Hämoglobins. Es ist erkennbar, daß im Bereich des normalen Blut-pH von 7,38 nahezu ein Alkali-Äquivalent/mol Hb frei werden kann, wenn das Blut im Gewebe seinen Sauerstoff abgibt. Das Alkali steht dann für Säurebindung (z. B. der H 2CO3) zur Verfügung.

Organismus mit Sauerstoff wichtig, denn nur in physikalisch gelöster Form kann Sauerstoff entsprechend der Partialdruckdifferenz in die Gewebe hineindiffundieren. Der meiste Sauerstoff, der mit dem Blut transportiert wird, ist an das Hämoglobin gebunden. An das sauerstoffarme Häm des Hämoglobins (Hb4α2β2, im folgenden mit Hb4 bezeichnet) lagern sich Wassermoleküle an, die bei der Oxygenation wieder frei werden:

len Verhältnissen wird im Organismus die maximale Sauerstofftransportkapazität nicht erreicht, weil das Hämoglobin nur z. T. in Oxyhämoglobin überführt wird. Die Konzentration des im Blut gelösten Sauerstoffs ist dem Sauerstoffpartialdruck proportional. Den Anteil der Konzentration des Oxyhämoglobins an der im Blut vorliegenden Gesamt-Hämoglobinkonzentration nennt man Sauerstoffsättigung: Man gibt sie gewöhnlich in % an (HbO2 %). Liegt nur desoxygeniertes Hb vor, beträgt die Sättigung 0 %, ist das gesamte Hb in Oxyhämoglobin übergegangen, besteht eine 100%ige O 2-Sättigung.

Hb4 (H2O)4 + 4 O2 ↔ Hb4 (O2)4 + 4 H2O Da ein Molekül Hämoglobin maximal vier Moleküle Sauerstoff binden kann, ergibt sich, daß 1 g Hämoglobin fähig ist, 1,36 ml Sauerstoff anzulagern (HÜFNERsche Zahl). Weil beim Mann durchschnittlich 15,3 g, bei der Frau 14,5 g Hämoglobin in 100 ml Blut vorhanden sind, bindet das Blut des Mannes ca. 21 und dasjenige der Frau ca. 19,5 ml O2/100 ml Blut, wenn alle Häm-Anteile mit Sauerstoff beladen sind. Dieser Wert ist die maximale O2-Kapazität des Blutes und bedeutet, daß durch das Hämoglobin ca. siebzigmal mehr Sauerstoff im Blut transportiert werden kann als bei nur physikalischer Lösung im Serum möglich wäre. Unter norma-

Die Beziehung zwischen Sauerstoffpartialdruck und Sauerstoffsättigung ist in der Sauerstoffbindungs- oder -dissoziationskurve (Abb. 4/6) dargestellt. Die eigenartige Form dieser Kurve wird darauf zurückgeführt, daß die Polypeptidketten sich bei der Beladung mit Sauerstoff gegenseitig beeinflussen. Diese Kurve wird üblicherweise so aufgezeichnet, daß auf der Ordinate die Sauerstoffbeladung des Hämoglobins in Sättigungsprozenten aufgezeichnet ist und auf der Abszisse der Sauerstoffdruck. Aus der Kurve ist erkennbar, daß der Abfall des Sauerstoff-

Gastransport und Pufferung des Blutes

drucks von 15 kPa auf 12 kPa nur eine geringe Verminderung der Sauerstoffsättigung bewirkt. Das bedeutet, daß eine mäßige Verminderung des O2-Drucks in der Luft fast keine Wirkung auf die Menge des an das Hämoglobin gebundenen O2 hat. Für die Sauerstoffversorgung des Gewebes ist dagegen der steile Verlauf der Sauerstoffbindungskurve im Mittelteil der Kurve günstig. Im Gewebe ist der O2-Druck niedriger als im Blut, denn das Gewebe verbraucht O2. Bei weiterer Verminderung des Sauerstoffdrucks im Gewebe kommt es zu einer erheblichen Senkung der Sättigung des Bluts (Entsättigung) und damit zu starker Abgabe des Sauerstoffs. Je saurer das Blut ist (z. B. bei hohem CO2Gehalt), umso weniger O2 vermag das Hämoglobin bei einem bestimmten Sauerstoffdruck zu binden. Weil in den Geweben einerseits ein niedriger Sauerstoffdruck besteht und Sauerstoff dem Druckgefälle entsprechend aus dem O2-reichen Blut in O2-ärmere Umgebungen diffundiert, andererseits in den Geweben der Kohlendioxiddruck höher ist als im arteriellen Blut und sich das Kohlendioxid mit dem vorhandenen Wasser zu Kohlensäure verbindet, ist in Kapillaren, die durch die Gewebe ziehen, die Fähigkeit des Blutes Sauerstoff festzuhalten geringer als im arteriellen Blut. Das Blut wird durch diesen Effekt zusätzlich vom Sauerstoff entsättigt, so daß dann der physikalisch gelöste Sauerstoff in die Gewebe hinein diffundieren kann. In Abb. 4/6 ist die Bindungskurve bei 10,6 kPa (= 80 mm Hg) CO2-Druck und bei 5,3 kPa (= 40 mm Hg) CO2-Druck aufgezeichnet. Das oxygenierte Hämoglobin ist saurer (acidotischer) als das sauerstoffarme Hämoglobin. Wenn also Sauerstoff aus dem Blut abgegeben worden ist, kann die Kohlensäure durch die freiwerdenden alkalischen Valenzen an das sauerstoffärmere Blut leichter angekoppelt werden, wobei sich in diesem Fall der pH-Wert15 kaum ändert. Abb. 4/7 zeigt die freiwerdenden Alkali-Äquivalente bei der Abgabe von Sauerstoff aus dem Blut. So ist bei einem Blut-pH von 7,38 eine Verfügbarkeit von rd. 1 Alkali-Äquivalent/Mol Hb bei der Desoxygenierung möglich. Die Abgabe des Sauerstoffs aus dem Blut in die Gewebe hängt von der Form der Bindungskurve und dem Säure-

15

s. S. 44

279

wert sowie der Temperatur und dem Gewebssauerstoffdruck ab. Hohe Temperatur verschiebt die Bindungskurve nach rechts. Die Sauerstoffbindungskurve kann außerdem durch die intraerythrocytäre Konzentration von Kationen beeinflußt werden und schließlich auch von 2,3Bisphosphoglycerat (2,3-BPG). Eine Erhöhung dieses Stoffs bewirkt eine Abnahme der Bindungsfähigkeit des Hämoglobins für O2. 2,3BPG ist in den Erythrocyten vorhanden. Verminderung des Sauerstoffs in der Luft (große Höhen) löst eine Steigerung der 2,3-BPG-Synthese in den Erythrocyten aus. In der Muskulatur gelangt der Sauerstoff zunächst an das Myoglobin, einen hämhaltigen Sauerstoffspeicher, der ebenfalls eine charakteristische Sauerstoffbindungskurve hat (s. Abb. 4/6). Durch den in der Abb. 4/6 eingezeichneten Pfeil ist zu erkennen, daß das Myoglobin wegen der Form seiner Bindungskurve noch bei sehr niedrigem Sauerstoffdruck eine hohe Sauerstoffsättigung aufweist. Dadurch ist in den Muskelfasern, ganz in der Nähe der energiebildenden Mitochondrien, ein Sauerstoffpuffer vorhanden, der einen kurzdauernden Mehrbedarf deckt, bis die Nachlieferung aus dem Blut wieder ausreicht. Die aus der Atmungskette (s. S. 78) stammenden Wasserstoffionen können sich mit dem aus dem Speicher kommenden Sauerstoff zu Wasser vereinigen. Diese Oxidation ist das Endglied der biologischen Oxidation, die als Gewebsatmung bezeichnet wird. Erniedrigung des Hämoglobingehalts bezeichnet man als Anämie. Diese kann bei starken Blutverlusten, bei mangelhafter Blutbildung, bei Eisenmangel, Eisenresorptionsstörungen, Eisenverwertungsstörungen, bei Vitamin B12-Mangel oder bei Fehlen des sog. Intrinsic-Faktors (s. S. 421) aus der Magenschleimhaut auftreten. Es gibt auch krankhafte Verkürzungen der Lebenszeit der Erythrocyten und Anämieformen, die durch chemische Schädigungen oder Immunprozesse verursacht sein können. Durch Auszählen der roten Blutzellen/µl Blut in Kombination mit einer Bestimmung des Hämoglobingehalts pro Zelle und Messungen des Bluteisengehalts können Ursachen von Anämien ermittelt werden. Bei Regulationsstörungen der Blutbildung kann es auch zu Erhöhungen der Erythrocytenzahl kommen, z. B. bei der Polycythaemia vera, einer tumorartigen Erkrankung des Knochenmarks, sowie bei der sekundären Polycythaemie z. B. bei bestimmten Herzfehlern, Lungenerkrankungen oder Aufenthalten in größeren Höhen. Hierbei löst der Sauerstoffmangel eine erhöhte Erythropoetinbildung (s. S. 270 und S. 489) aus und damit eine erhöhte Bildung von roten Blutzellen. Das fetale Hämoglobin hat eine größere Affinität zum Sauerstoff als das des Erwachsenen (die Sauerstoffbindungskurve

280

Blut

der Abb. 4/6 wird dadurch steiler). Wenn bei einem Säugling das fetale Hämoglobin gegenüber der Norm länger erhalten bleibt, ist dieser bei Störungen der Gewebsdurchblutung gefährdet, weil die Sauerstoffabgabe in die Gewebe unzureichend werden kann.

Noch leichter als Sauerstoff wird Kohlenmonoxid (CO) an das Hämoglobin gebunden. Bei der Bindung von einem CO-Molekül an eine der vier Untereinheiten des Hämoglobins verschiebt sich die Bindungskurve (Abb. 4/6) durch Wechselwirkungen der Polypeptidketten nach links, so daß gebundener Sauerstoff nicht mehr in die Gewebe abgegeben werden kann. Schon bei einem Gehalt von 0,025 % CO in der Luft fallen bereits 27 % des Hämoglobins für die Atmung aus (s. Tab. 4/4); bei stärkerem Anstieg der CO-Konzentration genügen die restlichen freien Hb-Mengen nicht mehr für eine ausreichende Sauerstoffversorgung des Körpers; es tritt also Erstickung ein. Da aber auch die CO-Bindung an das Hämoglobin reversibel ist, ist es bei baldigem Eingreifen möglich, durch künstliche Sauerstoffbeatmung (besonders wenn diese unter erhöhtem Druck erfolgt), das Hämoglobin wieder für die Atmung nutzbar zu machen. Tab. 4/4: Kohlenmonoxidbindung im Blut. Nach REIN. % CO in der Luft 0,025 0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

% Hb, die in CO-Hb umgewandelt sind 27 42 59 74 81 85 88

Kohlenmonoxid ist eine der häufigsten Ursachen von Vergiftungen, sowohl der unabsichtlichen sowie der beabsichtigten. Es ist bis zu 0,5 % im Gas rauchender (schlecht ziehender) Öfen und bis zu 7 % in Abgasen von Kraftfahrzeugen enthalten. Durch den zuletzt genannten Umstand ist in der Luft von stark befahrenen und schlecht belüfteten Großstadtstraßen Kohlenmonoxid vermehrt vorhanden. Seine Einwirkung, besonders auf Verkehrspolizisten, konnte nachgewiesen werden; doch blieb es bislang noch unter der akuten Gefahrengrenze. Die Empfindlichkeit für Kohlenmonoxid ist individuell verschieden und richtet sich nach dem Sauer-stoffbedarf; deshalb ist die Gefährdung im Schlaf geringer. Bei langsamer Vergiftung treten nacheinander Kopfdruck, Schwindel, manchmal auch Erbrechen, dann Atembeklem-mung und

schließlich Bewußtseinsverlust ein. Hohe Konzentrationen führen schon nach wenigen Atemzügen zu Be-wußtlosigkeit. Der Tod erfolgt durch Atemlähmung.

Von dem in der Luft gasförmigen Stickstoff (N2) ist im Blut etwa ein Volumenprozent gelöst (s. S. 379).

4.4.3

CO2 -Transport und die Pufferung des Blutes

Die Aufgabe der Erythrocytcn besteht nicht nur darin, O 2 in die Gewebe zu transportieren, sondern auch CO2 aufzunehmen. Von großer Bedeutung ist, daß trotz vermehrtem Entstehen einer Säure im Blut (z. B. Kohlensäure aus dem Gewebe-CO2) die Wasserstoffionenkonzentration des Blutes praktisch gleich bleibt (Abb. 4/7). Das im Gewebe anfallende CO2 diffundiert entsprechend dem Druckgefälle in das Kapillarblut. Dort reagiert es mit Wasser zu Kohlensäure. Die Eiweißkörper im Blutplasma und auch das Hämoglobin sind Ampholyte, die bei einer normalen Wasserstoffionenkonzentration von pH = 7,38 als Salze schwacher Säuren vorliegen. Die Kohlensäure ist aber eine stärkere Säure als das Bluteiweiß. Entsprechend der auf S. 278 dargestellten Verhältnisse werden dadurch Alkali-Ionen, innerhalb der Zellen (Erythrocyten) vorwiegend K+-Ionen und außerhalb vorwiegend Na+-Ionen, freigesetzt, so daß in den Zellen KHCO3 und außerhalb NaHCO3 entsteht. In den Erythrocyten binden die Proteine die H+-Ionen entsprechend der Formel: K+-Protein– + H+HCO–3 ↔ H+-Protein + K+HCO–3 Dieser Vorgang ist eine typische Pufferung (s. S. 44 und S. 485). Da sauerstoffreiches Blut eine stärkere Säure ist als desoxygeniertes Blut, ist die Bindungsfähigkeit des sauerstoffhaltigen Hämoglobins (HbO2) für Kohlensäure kleiner als diejenige des desoxygenierten Blutes. In 100 ml Blut werden vom voll mit Sauerstoff aufgesättigten Blut 41,1 cm3 CO 2, vom desoxygenierten Blut dagegen 49,6 cm3 CO2 gebunden. Im Körpergewebe entsteht viel CO2, weil dort die Stoffwechselprozesse CO2 freisetzen. Gleichzeitig besteht dort ein niedrigerer Sauerstoffdruck als im einströ-

Blutgerinnung 281

menden Blut, so daß der Sauerstoff entsprechend seinem Druckgefälle aus dem Blut in die sauerstoffverbrauchenden Gewebe diffundiert. Jetzt kann im sauerstoffärmeren Blut, welches durch die Kapillaren des Gewebes zum Herzen zurückströmt, mehr CO2 gebunden werden als in der Lunge, in der das Blut wieder mit Sauerstoff aufgesättigt wird. Ein kleiner Teil des Sauerstoffs und des CO2 werden als physikalisch gelöste Gase transportiert. Ein großer Teil des CO2 wird in den Erythrocyten gebunden. In den Erythrocyten wird die Umwandlung des CO2 in H+ und HCO–3 (entsprechend der Formel: H 2O + CO 2 ↔ H2CO 3 ↔ H + + HCO3–) durch das Enzym Carboanhydrase (c.a) beschleunigt, so daß die für den CO2-Transport erforderliche Geschwindigkeit der CO2-Aufnahme so hoch ist, daß bei nicht übermäßigem Energieumsatz stets genügend Alkali für die Pufferung zur Verfügung steht. Etwa 3/4 des HCO–3 gelangt nämlich aus den Erythrocyten im Austausch gegen Chlorid ins Plasma und wird dort transportiert (Anionenaustausch). Eine zweite Form des CO2-Transports im Blut erfolgt durch eine reversible Bindung des CO2 an freie Aminogruppen des Hämoglobins in Form des Carbaminohämoglobins. Dieses ist mit einem relativ großen Anteil (bis zu 20 %) am Kohlensäuretransport aus dem Gewebe in die Lunge beteiligt. Das Blut ist, wie aus dem Dargestellten hervorgeht, in besonderem Maße fähig, die Änderungen des Säure-Basen-Verhältnisses so auszugleichen, daß die Wasserstoffionenkonzentration (pH-Wert, s. S. 44) im Körper relativ konstant gehalten wird. Der pH-Wert des menschlichen Blutes von 7,38 schwankt deshalb nur geringfügig. Außer den besprochenen beiden wichtigsten Puffersystemen, dem Eiweißpuffer und dem Hydrogencarbonatpuffer, verfügt der Organismus über weitere Puffersysteme (z. B. den Phosphatpuffer), die dann besonders bedeutungsvoll werden, wenn bei krankhaften Störungen die Pufferkapazitäten der beschriebenen beiden Puffersysteme erschöpft sind (s. Kapitel Niere, S. 485). Allen Puffersystemen ist gemeinsam, daß sie selbst Gemische aus schwachen Säuren und Basen sind. Bei Zufuhr von Wasserstoffionen werden diese gebunden und bei Zufuhr von Basen werden Wasserstoffionen abgespalten. Diese Bindung und Abspaltung kom-

pensiert z. B. die ständige Zufuhr saurer Stoffwechselprodukte wie Kohlendioxid oder Milchsäure und trägt zur Konstanthaltung des pHWerts im Blut bei. Eine Senkung des pH des Blutes wird als Azidose (oder Azidämie), eine Erhöhung als Alkalose (oder Alkaliämie) bezeichnet. Wenn die Azidose durch eine Erhöhung des CO2-Drucks bedingt ist (etwa bei Verlegung der Atemwege oder Atemstillstand), spricht man von einer atmungsbedingten (respiratorischen) Azidose, bei zu großem Anfall von starken nicht flüchtigen Säuren (z. B. Milchsäure oder Acetessigsäure) oder bei mangelnder Säureausscheidung durch die Niere von metabolischer Azidose. Bei zu starker Abatmung von CO2 kommt es zur respiratorischen Alkalose und bei zu hohem Blutgehalt von fixen Alkali-Ionen zur metabolischen Alkalose. Diese kann auch durch starken Säureverlust nach häufigem Erbrechen auftreten. Der Körper wird immer bestrebt sein, durch alle verfügbaren Mechanismen den Blut-pH wieder auf den Normwert einzustellen. Hierzu verfügt er über ein sehr empfindliches Meßsystem für die Wasserstoffionenkonzentration (s. S. 382).

4.5 Blutgerinnung Kommt es infolge von Verletzungen zur Öffnung kleiner Blutgefäße, so ziehen sich die verletzten Gefäße zusammen. Die Art der Kontraktion wird Spasmus genannt und wird z. T. nerval (wahrscheinlich wegen des Schmerzreizes), z. T. durch Kontraktionen der Gefäßmuskulatur aufgrund der mechanischen Wandreizung verursacht. Bei ausgedehnten Gefäßwandverletzungen sind die Kontraktionen stärker. Das erklärt, daß bei Schürfverletzungen der Haut die Blutungszeit kürzer ist als bei einem scharfen Schnitt in die Haut. Um die Messung der Blutungszeit zu standardisieren, verwendet man eine kurze Lanzette, mit der man in die Haut sticht. Die Blutung dauert dann beim Gesunden 1 bis 3 min. Der Spasmus dauert aber etwa eine halbe Stunde. Während dieser Zeit lagern sich an den Wundrändern, vor allem an den Bindegewebsfasern, Blutplättchen (Thrombocyten) ab. Die Anheftung erfolgt mit Hilfe des aus Endothelzellen stammenden VON-W ILLEBRAN DFaktors. Begünstigend für eine Anheftung (Ad-

282

Blut

häsion) ist auch der Wegfall von Hemmwirkungen infolge des Endotheldefekts. Die unverletzte Glycocalyx von Endothelzellen hat für Thrombocyten keine Rezeptoren. Eine Thrombocytenaktivierung erfolgt infolgedessen normalerweise nicht. Hinzu kommt, daß unverletzte Endothelzellen die Thrombocytenaktivierung hemmen, durch Freisetzung von Prostacyclin (PGI2) und dem endothelialen Relaxationsfaktor (Endothelial Derived Relaxing Factor, EDRF), der als Stickoxid (NO) identifiziert wurde. Indirekt wirkt zusätzlich das Endothelzellprodukt Heparin hemmend auf die Thrombocytenaggregation, das auch noch von anderen Zellen hergestellt wird (s. S. 265). Bei der Anheftung schwellen die Plättchen an, bilden Fortsätze aus, sezernieren größere Mengen von ADP und produzieren Enzyme, die Thromboxan16 A2 freisetzen. Das ADP sowie das Thromboxan und ein aus basophilen Zellen, Thrombocyten und Makrophagen freigesetzter plättchenaktivierender Faktor (PAF) aktivieren vorbeifließende Thrombocyten, so daß auch diese sich anheften, zusammenballen (aggregieren) und schließlich einen Plättchenhaufen bilden, welcher weißer Thrombus genannt wird. Bei kleineren Gefäßverletzungen reicht der weiße Thrombus aus, um die Gefäßöffnung zu verschließen (Reparatur-Ischämie17 oder primäre Hämostase18). Beim darauf folgenden Prozeß der Blutgerinnung bildet sich ein Netz von Fibrinfäden, in das weitere Thrombocyten, aber auch rote und weiße Blutkörperchen eingelagert werden. Hierdurch wird das Gefäß endgültig verschlossen. Diese durch die Gerinnung des Blutes erfolgende sekundäre Hämostase entwickelt sich innerhalb der Zeit, die der Gefäßkrampf andauert. Auch größere Blutgefäße einer Wundregion werden so verschlossen. In ein solches Blutgerinnsel wandern innerhalb einiger Stunden Fibroblasten ein und beginnen, es in fibröses Gewebe umzuwandeln. Nach etwa 7 bis 10 Tagen entsteht so eine bindegewebige Narbe. Im Innern von sehr großen Gerinnseln können aber auch Auflösungen durch enzymatische Umwandlungen entstehen, wodurch das Gefäß teilweise wieder durchgängig werden kann.

16

17 18

Thromboxan ist ein Metabolit der Arachidonsäure, einer ungesättigten Fettsäure (s. S. 63). ischein (gr.) – zurückhalten, hemmen. stásis (gr.) – stehen, Stillstand.

Entnimmt man einer künstlich gesetzten kleinen Wunde oder aus einer Vene etwas Blut, bringt es auf einen Objektträger und bewegt diesen hin und her, so stellt man fest, daß das Blut von Gesunden außerhalb des Körpers nach etwa 6 bis 7 min gerinnt (Gerinnungszeit).

4.5.1

Mechanismen der Blutgerinnung

Es existieren mehr als 30 Stoffe im Blut, die dessen Gerinnung fördernd oder hemmend beeinflussen. Normalerweise überwiegen im zirkulierenden Blut die Hemmstoffe (Antikoagulantien). Bei Gefäßverletzungen wird die Aktivität der gerinnungsfördernden Stoffe (Prokoagulantien) größer als die der Antikoagulantien, so daß sich eine Gerinnung entwickeln kann. Abb. 4/8 zeigt das Grundschema der Blutgerinnung. In einer ersten Phase (Aktivierungsphase) wird ein Komplex von Substanzen gebildet, der Prothrombinaktivator oder Thrombokinase genannt wird. Dieser Aktivator bewirkt die Umwandlung von Prothrombin zu Thrombin. Das Prothrombin, ein Plasmaprotein (Molekulargewicht 60 700), hat eine Konzentration von 15 mg/100 ml Blut. Es ist instabil und wandelt sich leicht in Thrombin um, das ein Molekulargewicht von 33 700 hat. Prothrombin wird in der Leber gebildet. Hierzu ist Vitamin K erforderlich. Wie die Abb. 4/8 und 4/9 weiter zeigen, wirkt im Blut das Thrombin wie ein Enzym auf das ebenfalls in der Leber produzierte Fibrinogen ein. Thrombin spaltet vom Fibrinogen zwei Peptidmoleküle ab, so daß ein Fibrinmonomer entsteht. Das Fibrinmonomer hat die Fähigkeit, sich mit anderen FibrinmonomerMolekülen kettenartig zusammenzulagern (zu polymerisieren) und lange Fibrinfäden zu bilden. Diese bauen das Netzwerk des Gerinnsels auf. Hierzu wird ein fibrinstabilisierender Faktor XIII benötigt, der ebenfalls im Blut vorliegt. Er kalalysiert eine chemische Reaktion durch die sich die Fibrinmonomere fest verbinden. Dies ist die Koagulationsphase der Gerinnung. Einige Minuten nach der Koagulation beginnt sich das Gerinnsel zu kontrahieren und preßt Serum aus. Den Vorgang des Zusammenziehens nennt man Gerinnselretraktion. Durch die Retraktion werden verletzte Blutgefäßwände wieder aufeinander zu gezogen, was den Gefäßverschluß stabilisiert. Eine einmal begonnene

Blutgerinnung 283

Abb. 4/8: Grundschema der Blutgerinnung.

Gerinnung setzt sich in das noch nicht geronnene Blut der Umgebung fort. Das liegt daran, daß Thrombin eine proteolytische Aktivität hat und Prothrombin spalten kann, so daß immer mehr Thrombin entsteht (s. Abb. 4/9). Außerdem wirkt Thrombin auf einige Faktoren, die ihrerseits den Prothrombin-Aktivator vermehren. An den Stellen des Blutgefäßsystems, an denen die Blutströmung so hoch ist, daß Thrombin und prokoagulatorische Faktoren schnell genug weggespült werden, stoppt die Gerinnung. Im strömenden Blut sind außerdem die Hemmstoffe der Gerinnung, z. B. Heparin, in so großem Überschuß vorhanden, daß die Gerinnung hier nicht weitergeht. Vom retikuloendothelialen System der Leber und des Knochenmarks werden zudem die meisten prokoagulatorischen Faktoren innerhalb einiger Minuten entfernt. Die extrinsischen und intrinsischen Mechanismen der Blutgerinnung. Es gibt zwei unterschiedliche Wege, über die die Umwandlung von Prothrombin in Thrombin aktiviert wird: 1. Durch eine Folge von Reaktionen, die mit einer Verletzung des Gewebes beginnt und extrinsisches System heißt, und 2. durch den intrinsischen Weg, der innerhalb des Blutes selbst beginnt. Bei beiden Mechanismen sind eine Anzahl von verschiedenartigen Plasmaproteinen, die Blutgerinnungsfaktoren, beteiligt. Diese aktivieren als proteolytische Enzyme eine Reihe kaskadenförmig aufeinanderfolgender Reaktionen des Gerinnungsprozesses. Die meisten dieser Faktoren werden mit römischen Ziffern benannt. Sie sind in Tab. 4/5 dargestellt. Abb. 4/9 zeigt die beiden Wege in einer detaillierteren Übersicht.

Tab. 4/5: Übersicht über die plasmatischen Gerinnungsfaktoren, ihre Synonyma, Eigenschaften und Vorkommen. Gerinnungsfaktor I II III

IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII

Name, Eigenschaft

Vorkommen

Fibrinogen, β-Globulin Prothrombin, α-Globulin Thrombokinase, Endprodukt komplexer Reaktionen (s. Text), also kein einheitliches Produkt Ca++, wird für Aktivierung benötigt Proaccelerin, β-Globulin ist aktivierter Faktor V Proconvertin α-Globulin antihämophiles β-Globulin Christmas-Faktor, α-Globulin STUART-PROWER-Faktor, α-Globulin Plasmathromboplastin antecedent (PTA), γ-Globulin (Protease) HAGEMANN-Faktor, β-Globulin (Protease) Fibrin-stabilisierender Faktor (Transpeptidase), wird durch Thrombin aktiviert

Plasma Plasma vorübergehend im Plasma Plasma Plasma Serum Plasma Serum Serum Serum Serum Serum

Gerinnungshemmung und Fibrinolyse Im Gefäßsystem gibt es Faktoren und Mechanismen, die verhindern, daß eine Gerinnung in Gang kommt:

284 Blut

Abb. 4/9: Detailliertes Schema der Blutgerinnung und Fibrinolyse. Der Gerinnungsvorgang ist im oberen Teil der Abb. dargestellt. Für die verschiedenen Faktoren werden die gebräuchlichen Bezeichnungen verwendet (s. Tab. 4/5). Der Index „a“ an den Zahlen kennzeichnet den aktiven Zustand. Das Schema zeigt noch nicht sämtliche Einflußfaktoren auf die Blutgerinnung.

Blutgerinnung 285

1. Die negative Oberflächenladung der Endothelzellen und die Zusammensetzung der Endothelzellmembranen sind eine wichtige Voraussetzung dafür, daß Gerinnungsfaktoren und Blutplättchen sich nicht anlagern können. 2. Bei der Fibrinbildung wird Thrombin durch das Fibrin stark absorbiert. Dadurch steht es für weitere Gerinnung nicht mehr zur Verfügung. 3. Antithrombine. Dies sind α-Globuline, die z. T. als Cofaktoren wirken. 4. Heparin. Heparin ist ein Polysaccharid, das im Cytoplasma vieler Zellen gefunden wird, vor allem in basophilen Granulocyten und Mastzellen des Gewebes. Seine Konzentration beträgt etwa 0,01 mg/100 ml Blut. Trotz der geringen Konzentration im Plasma ist es sehr wirksam, indem es mit einem Plasmaeiweißkörper, dem Heparin-Co-Faktor, einen Komplex bildet, welcher Antithrombin III heißt und der sich mit anderen koagulatorisch wirksamen Faktoren, z. B. Thrombin, verbindet und dessen Wirkung hemmt. Außerdem stört er die Bildung der Thrombokinase und aktiviert die Fibrinolyse. 5. α2-Makroglobulin. Dieses Globulin bindet sich an proteolytisch wirksame Koagulationsfaktoren und macht diese unwirksam. 6. Das Plasma enthält das Protein Plasminogen, welches auch Profibrinolysin genannt wird. Wenn dieses aktiviert wird, wandelt es sich in Plasmin (Fibrinolysin) um. Es löst Fibrinfäden auf, aber auch andere Substanzen im umgebenden Blut, z. B. Fibrinogen, Faktor V, Faktor VIII, Prothrombin und Faktor XII, und führt damit zu einer Auflösung des Gerinnsels. Abb. 4/9 zeigt schematisch plasminaktivierende Substanzen und Reaktionsschritte. Die in Abb. 4/9 dargestellte Urokinase ist ein Enzym, das im Blut vorkommt und durch die Niere ausgeschieden wird. Die Streptokinase ist ein Enzym welches durch Streptokokken (Krankheitserreger) produziert wird. Streptokokken können sich aufgrund dieser Enzymwirkung ausbreiten, wenn sie die Gerinnsel infiziert haben. Weitere lytische Enzyme, z. B. Lyso19

20

haima (gr.) – Blut; philéin (gr.) – lieben, hinneigen. Das männliche Geschlecht erkrankt, die Frauen sind Konduktorinnen, da die rezessive Anlage an das X-Chromosom gebunden ist. von em-bállein (gr.) – hineinwerfen.

kinasen, werden in Leukocyten gefunden. Die Plasminwirkung wird durch ein im Plasma vorkommendes Antiplasmin gehemmt. Weil Antiplasmin schlecht aus dem Plasma in Thromben hineindiffundiert, kann das Plasmin seine fibrinolytische Wirkung im Inneren von Thromben besonders gut entfalten und diese auflösen. Die Fibrinolyse kann durch Proteasehemmstoffe, z. B. ε-Aminocapronsäure, verlangsamt werden. Störungen der Blutgerinnung können sowohl durch Thrombocytenmangel als auch durch Mangel an Gerinnungsfaktoren bedingt sein. Bei der geschlechtsgebundenen erblichen Bluterkrankheit (Hämophilie19) ist die Gerinnungszeit auf 15-25 min oder mehr verlängert. Es gibt verschiedene Formen der Hämophilie. Die häufigste Form ist durch die Störung des Faktors VIII bedingt. Andere Hämophilie-Arten werden durch Mangel an Faktor IX oder Faktor XI verursacht. Für die Hämophilie B ist die Störung des Faktors XI ursächlich. Der Faktor wird auch nach dem Vornamen des Jungen bezeichnet, bei dem die Krankheit entdeckt wurde (Christmas-Faktor). Man kann auch künstlich die Gerinnungsvorgänge beeinflussen. Ein Beispiel hierfür ist eine Verdrängung des Vitamin K durch Roßkastanienextrakt (Dicumarol). Er hemmt die Bildung des Prothrombins sowie der Faktoren VII, IX und X in der Leber. Verminderung der Calciumionen (z. B. durch Zugabe von Natriumcitrat zum Blut), aber auch Heparinzusatz heben die Blutgerinnung auf. Hirudin, das vom Blutegel (Hirudo) stammt, inaktiviert Thrombin. Thrombose und Embolie. Eine Hemmung der Blutgerinnung ist wichtig für die Behandlung von Embolien und Thrombosen, denn wenn sich ein an der Gefäßwand klebender Pfropfen (Thrombus) bildet, verwächst er im Laufe der Zeit fest mit der Gefäßwand und wird dann durch die Bindegewebe ersetzt. Thromben können – wie oben ausgeführt – wieder abgebaut werden, wenn es nicht zur Verödung des Gefäßes kommt. Manchmal wird aber ein geronnener Blutpfropf durch den Blutstrom abgerissen und in den Gefäßen weitergeführt. Hat sich ein Pfropf in einer Vene gebildet, gelangt er durch das rechte Herz in die Lungengefäße und bleibt dort in den sich verengenden Gefäßen hängen (Embolus 20). Damit wird das weiter anschließende Gefäßnetz plötzlich ausgeschaltet. Eine solche Lungenembolie ist wegen ihrer Plötzlichkeit oft tödlich, weil die Lungengefäße sich zusammenkrampfen (Spasmus) und dadurch ein Ausfall der Lungenfunktion auftritt. Ein langsamer Ausfall auch größerer Teile der Lunge (Lungenentzündung, -krebs oder -tuberkulose) kann dagegen besser ertragen werden. Ein Thrombus aus den Körpervenen kann auch durch ein offenes ovales Loch in der Vorhofscheidewand des Herzens (s. S. 804) über das linke Herz und von diesem in die Aorta und dann in herzeigene Gefäße (s. Herzschlag, S. 321) oder Gehirngefäße (s. Hirnschlag, S. 612) oder in andere periphere Arterien gelangen; solche (paradoxen) Embolien sind aber gegenüber den Lungenembolien21 äußerst selten. Thromben, die an den Arterienwänden oder Herzinnenwänden entstehen, können sich von diesen lösen und als Embolus periphere Arterien verschließen.

286 Blut

Funktion der Blutplättchen (Thrombocyten). Thrombocyten haften an rauhen Oberflächen leicht an, z. B. an Wundrändern. Sie besitzen die Fähigkeit, sich zusammenzulagern (Aggregation). Die Thrombocytenaggregation läuft in zwei Phasen ab und ist für die normale Blutstillung, aber auch für die Entstehung eines Thrombus bei Thromboseneigung bedeutsam. In der ersten Phase entsteht bei Kontakt mit freien Kollagenfibrillen (bei verletzter Gefäßwand) oder bei ADP-Freisetzung eine Aggregation der Thrombocyten. Diese Thrombocytenhaufen können jedoch noch zerfallen (reversible erste Phase). In der zweiten Phase kommt es zu Aktivierung der Synthese von Thromboxan A2 in den Thrombocyten. Es werden gefäßwirksame Substanzen (Serotonin, Adrenalin, Noradrenalin und Thromboxan) freigesetzt, welche z. B. bei dem oben beschriebenen primären Wundverschluß mitwirken und hierbei zur Gefäßwandkontraktionen führen. Phospholipide der Thrombocyten leiten die Blutgerinnung ein. Es kommt dabei unter Mitwirkung von Fibrinogen zur Bildung irreversibler Klumpen (zweite Phase). Stoffe, die aus den Thrombocyten stammen und in die Blutgerinnung eingreifen, werden Thrombocytenfaktoren genannt. Thrombocytenfaktor I ähnelt dem Plasmafaktor V. Thrombocytenfaktor II ist ein fibrinoplastischer Faktor, der die Umwandlung von Fibrinogen in Fibrin beschleunigt. Als Faktor III werden aus Thrombocytenmembranen stammende Phospholipide bezeichnet, die Bestandteil aktiver Komplexe der plasmatischen Gerinnung sind (partielles Thromboplastin). Faktor IV ist ein Antiheparinfaktor. Faktor V ist das Thrombocytenfibrinogen. Faktor Vl entspricht dem Plasmafaktor X. Es ist ein Co-Thromboplastin. Faktor VII, das Thrombosthenin oder Retraktozym, verursacht die Gerinnselretraktion bei Anwesenheit von Calcium- oder Magnesiumionen. Faktor IX ist ein fibrinstabilisierender Faktor, der dem Plasmafaktor XIII entspricht. Aktivierte Thrombocyten setzen noch andere Signalstoffe frei: Diese wirken als Wachstums-

21

22 23

Bei Knochenbrüchen kann Fett des Knochenmarks in ein Gefäß eingeschwemmt werden und zur Fettembolie der Lungen führen. Über Luftembolie s. S. 341. húmor (lat.) – Flüssigkeit, Saft. immúnis (lat.) – unberührt, frei.

faktoren für verschiedene Zellarten. Man kennt den Fibroblasten-Wachstumsfaktor (Fibroblast Growth-Factor FGF), den Platelet Derived Growth Factor (PDGF), der das Wachstum von glatten Muskelzellen stimuliert, den β-Transforming Growth Factor (β-TGF) und auch den oben erwähnten PAF. Verminderung der Thrombocyten führt zu Blutungsneigungen. Sie kann angeboren oder auch erworben sein oder als Begleiterscheinung anderer Erkrankungen, z. B. Niereninsuffizienz, Vergiftungen oder bei extracorporaler Dialyse, auftreten. Künstliche Hemmung der Thrombocytenaggregation wird neuerdings häufig als Therapie bei Neigung zu Gefäßverschlüssen angewendet. Die Acetylsalicylsäure hemmt das Enzym Cyclooxygenase. Hierdurch wird der Abbau von Arachidonsäure in den Thrombocyten gehemmt und damit die Entstehung von Thromboxan A, welches für die Umwandlung von reversiblen in irreversible Thrombocytenaggregate zuständig ist.

4.6 Biologische Abwehrsysteme Der Organismus ist in der Lage, sich gegen körperfremde organische Strukturen und gegen Krankheitserreger wirksam zu wehren. Hierfür stehen ihm im Blut verschiedene humorale21 und zelluläre Systeme zur Verfügung, die teils hochspezifische, gegen einen bestimmten Erreger gerichtete, teils unspezifische Abwehrreaktionen auslösen. Schon im frühen Altertum war bekannt, daß Überlebende der großen Seuchen, wie Pest, Pokken, Cholera und andere Infektionskrankheiten, gegen eine Wiederansteckung mit der gleichen Krankheit geschützt waren. Offenbar kann der Organismus die Abwehr einer Infektion „erlernen“. Es wurde daher bereits im Altertum in China, Indien, später auch in Europa versucht, durch Übertragung infektiösen Materials auf Patienten einen Schutz gegen Infektionen, eine Immunität23 , zu erreichen. Um immun zu werden, mußte also der Körper den Krankheitserregern, gegen die er geschützt werden sollte, ausgesetzt werden. Bemerkenswert bei einer derartig erworbenen Immunität ist, daß sie spezifisch, also nur auf einen bestimmten Erreger gerichtet ist und keinen allgemeinen Schutz gegen Infektionen darstellt.

Biologische Abwehrsysteme

4.6.1

Spezifische Immunität

Als im Jahr 1796 dem englischen Arzt Edward JENNER der Nachweis gelang, daß durch Einimpfen von Kuhpockenlymphe beim Menschen Immunität gegen die Pockenkrankheit erzeugt werden kann, war die Grundlage für die später weltweit erfolgreich angewendete Pockenschutzimpfung geschaffen. Der für den Menschen verhältnismäßig ungefährliche Erreger der Kuhpocken hat offenbar auf das Abwehrsystem des Menschen die gleiche Wirkung wie „echte“ Pockenviren, so daß die aus pockenkranken Kühen gewonnene Vaccine 24, wenn sie auf eine offene Hautwunde aufgebracht wird, einen spezifischen Schutz gegen Pocken erzeugt. Im Jahre 1881 entdeckte Louis PASTEUR25, daß abgeschwächte, nicht mehr infektiöse Cholerabakterien Immunität hervorrufen können. Emil VON BEHRING26 konnte 1890 zeigen, daß die Erreger von Diphtherie und Tetanus Toxine27 produzieren, mit denen gegen diese Krankheit immunisiert werden kann. Hieraus wurde die Erkenntnis abgeleitet, daß die Immunität durch spezifische Stoffe hervorgerufen wird, die in den Krankheitserregern enthalten sind oder von diesen produziert werden. Diese Stoffe nennt man Antigene28. Wenige Jahre später konnte Paul EHRLICH29 zeigen, daß Seren aus Versuchstieren, denen zuvor pflanzliche Toxine injiziert wurden, die Wirkung dieser Toxine neutralisieren. Nach der Injektion werden demnach Stoffe gebildet, die mit den Antigenen reagieren können. Diese Stoffe werden Antikörper genannt.

Ein Antigen hat im allgemeinen zweierlei Wirkung: 1. Im Organismus stimuliert es die Bildung von Antikörpern, wirkt also als Immunogen. 2. Mit den Antikörpern geht es eine spezifische Bindung ein, durch die das Antigen inaktiviert wird.

24 25

26

27 28

29

30 31

vácca (lat.) – Kuh. PASTEUR, L., 1822-1895, französischer Chemiker und Bakteriologe. VON BEHRING, E., 1854-1917, deutscher Mediziner, erhielt 1901 den Nobelpreis für die Entwicklung des Diphterie-Impfstoffs. tóxon (gr.) – Bogen; Toxine sind Giftstoffe. Kurzwort aus Antisomatogen; ánti (gr.) – entgegen; sóma (gr.) – Körper; génos (gr.) – Herkunft. EHRLICH, P., 1854-1915, deutscher Mediziner und Immunologe, erhielt 1908 den Nobelpreis. booster (engl.) – Antreiber. háptein (gr.) – anhaften.

287

Die Herstellung und Injektion spezifischer Antigene aus Krankheitserregern, die die Bildung spezifischer Antikörper anregen, ist heute die Grundlage für Schutzimpfungen gegen eine Reihe gefährlicher Infektionskrankheiten. Dieser Schutz tritt allerdings erst nach einigen Wochen ein. Die Erfahrung zeigte, daß bei einer Wiederholungsimpfung nach etwa 4-6 Wochen eine gegenüber der Erstinjektion wesentlich verstärkte Antikörperbildung auftrat (Booster 30-Effekt). Um einen unmittelbaren Schutz gegen Infektionen zu erreichen, verwendet man deshalb nicht die „aktive Immunisierung“ durch ein Antigen, sondern man injiziert Seren von Tieren, die zuvor geimpft waren und Antikörper gebildet hatten („passive Immunisierung“). Diese passive Immunisierung hält jedoch nicht lange an und hat zudem den Nachteil, daß das Immunserum viele Komponenten enthält, gegen die Antikörper gebildet werden können. Wiederholt man zu einem späteren Zeitpunkt die Impfung mit Serum der gleichen Tierart, kann es zu schweren Abwehrreaktionen kommen, die nicht selten tödlich verlaufen. Bei der passiven Immunisierung muß daher darauf geachtet werden, daß bei einer notwendig werdenden Wiederholungsinjektion Serum einer anderen Tierspezies verwendet wird.

Die Wechselwirkungen zwischen Antigen und Antikörpern wurden von Paul EHRLICH 1897 mit der „Seitenkettentheorie“ beschrieben. Nach dieser Theorie ist das Antigen ein Makromolekül (z. B. ein Protein oder ein Polysaccharid), das spezifische Erkennungsstrukturen als Seitenketten besitzt. Antikörper sind Proteinmoleküle, die ebenfalls spezifische Erkennungsstrukturen enthalten. Antigen und Antikörper können sich miteinander verbinden und passen zueinander wie der Schlüssel zum Schloß. Ähnliche Überlegungen wurden zur gleichen Zeit für die spezifischen Wechselbeziehungen zwischen Enzymen und ihren Substraten entwickelt. Sie sind auch heute in ihrer Grundidee noch gültig. Die Seitenkettentheorie galt als bestätigt als es gelang, künstliche Antigene durch Kopplung niedermolekularer Verbindungen mit Proteinen herzustellen. Es konnten beispielsweise Azofarbstoffe, die für sich alleine keine Antigeneigenschaften haben, an Proteine gebunden und dadurch zu Antigenen gemacht werden, bei denen die Farbstoffkomponente als bindende Gruppierung, als Hapten31, wirkte. Derartige Bindungen an Proteine finden nicht selten beim Eintritt niedermolekularer Fremdstoffe in die Gewebe statt. Sie können die Ursache von Allergien32 werden, indem sie das Immunsystem zur Bildung spezifischer Antikörper veranlassen, die mit diesen Substanzen Immunreaktionen eingehen können (s. S. 295ff).

288

Blut

Im allgemeinen haben sowohl Antigen als auch Antikörper mehrere Bindungsstellen, mit denen sie sich aneinanderheften können. Daher kann es bei geeigneten Mischungsverhältnissen zwischen Antigen und Antikörper zur Bildung großer, schwerlöslicher Aggregate kommen. Durch das Auftreten eines Präzipitates33 läßt sich in diesem Falle die Antigen-Antikörper-Reaktion nachweisen. Der Nachweis von Antikörpern z. B. zur Prüfung, ob gegen eine bestimmte Krankheit Immunität besteht, kann in vielen Fällen durch das Auftreten eines Niederschlages beim Zusammengeben von Antigen und Antikörpern geführt werden. Man kann auf diese Weise auch bestimmen, wieviele Antikörper vorhanden sind, indem man das zu prüfende Serum solange verdünnt, bis die Bildung eines Präzipitates ausbleibt. Der Test nach OUCHTERLONY34 erlaubt einen sehr empfindlichen Nachweis. Hierzu werden auf einer Agarplatte zwei Löcher eingestanzt. In das eine Loch wird eine Lösung des Antigens, in das andere das Antiserum eingefüllt. Beide diffundieren durch die Agarschicht und bilden dort, wo sie aufeinander treffen, eine scharfe Linie des Präzipitates, die gut erkennbar ist. Andere Methoden zum Nachweis von Antikörpern beruhen auf deren Fähigkeit, sich an Oberflächenantigene von Zellen zu binden und diese dadurch zum Agglutinieren35 und Verklumpen zu bringen. Der COOMBS-Test 36 wurde zur Bestimmung von Blutgruppen-Antigenen (siehe Blutgruppen) entwickelt, die wegen ihrer geringen Menge bzw. ihrer geringen Bindungskapazität schwer nachweisbar sind. Das Prinzip dieses Tests beruht darauf, daß Erythrocyten Antikörper binden, die im Serum des Menschen enthalten sind. Diese Bindung führt jedoch nicht zur Präzipitation. Zum Nachweis der an die Zelloberfläche gebundenen Antikörper wird ein Antiserum gegen menschliche Immunglobuline zugesetzt. Die

32

33 34

35 36 37

állos (gr.) – fremd; érgon (gr.) – Werk. Allergien sind Überempfindlichkeitsreaktionen gegen Antigene. präcipitáre (lat.) – stürzen, fällen. OUCHTERLONY, Ö., geb. 1914, Bakteriologe in Göteborg. agglutináre (lat.) – ankleben. COOMBS, R., geb. 1921, Pathologe in Cambridge. LANDSTEINER, K., 1868-1943, Pathologe in Wien und New York, erhielt 1930 den Nobelpreis.

darin enthaltenen Antikörper binden sich an die auf der Zelloberfläche gebundenen Antikörper und führen dadurch zur Präzipitation. Wegen ihrer Fähigkeit zum Präziptieren, Agglutinieren oder Lysieren (lösen), hat man die Antikörper früher in Präzipitine, Agglutinine und Lysine unterteilt. Heute weiß man, daß dieser Einteilung keine verschiedenartigen molekularen Eigenschaften zugrundeliegen. Sie wird deshalb nur noch selten verwendet.

4.6.2

Blutgruppen

Nicht nur körperfremde, sondern auch körpereigene Zellen tragen an ihrer Oberfläche Antigene. Gegen körpereigene Antigene reagiert das Immunsystem nicht, es ist gegen sie tolerant. Werden Zellen jedoch in einen anderen Organismus übertragen, so kann dort eine Immunreaktion ausgelöst werden. Dies ist häufig auch bei der Übertragung von Zellen, Geweben oder Organen auf andere Individuen der gleichen Spezies der Fall. Erstmals durch die Arbeiten von LANDSTEINER37 konnte gezeigt werden, daß die Erythrocyten des Menschen verschiedene Antigene enthalten können. Aufgrund ihrer antigenen Eigenschaften konnten zunächst vier Blutgruppen unterschieden werden, die als Gruppe A, B, AB und 0 bezeichnet wurden. Überträgt man einem Menschen mit der Blutgruppe A Blut von einem Menschen der Gruppe B, so kommt es zur Agglutination der Erythrocyten. Das gleiche geschieht bei Übertragung von Blut der Gruppe B auf einen Empfänger der Blutgruppe A oder Blut der Gruppe AB auf Empfänger der Blutgruppe A oder B. Blutserum der Gruppe A enthält Antikörper gegen Erythrocyten der Gruppe B. Das Blutserum der Gruppe B enthält Antikörper gegen die Gruppe A. Die Blutgruppe AB enthält weder gegen A noch gegen B Antikörper. Blut der Gruppe 0 enthält Antikörper gegen A und B. Die unterschiedlichen Blutgruppenantigene entstehen durch spezifische enzymatische Reaktionen, bei denen verschiedene Zuckerreste an die auf der Zelloberfläche lokalisierten Glykoproteine gebunden werden. Die Blutgruppe ist damit Ausdruck der ererbten individuellen Enzymausstattung. Zellen von Trägern der Blutgruppe A besitzen N-Acetyl-Galactosamin als endständiges Zuckermolekül, Träger der Blutgruppe B D-Galactose. Bei Zellen der Blutgruppe 0 fin-

Biologische Abwehrsysteme

289

det sich L-Fucose. Die Bildung von Antikörpern gegen eine fremde (AB0-)Blutgruppe wird im Säuglingsalter durch Bakterien stimuliert, die in der Darmflora enthalten sind und die spezifischen Antigene tragen. Die Bildung von Antikörpern gegen die eigene Blutgruppe wird unterdrückt (immunologische Toleranz). Zur Vermeidung von Immunreaktionen müssen daher vor Bluttransfusionen die Blutgruppe bestimmt und Spender und Empfänger aufeinander abgestimmt werden. Dies geschieht in der Praxis dadurch, daß auf einen Objektträger ein Tropfen des zu untersuchenden Blutes mit je einem Tropfen eines Serums Anti-A bzw. Anti-B verrührt wird. Kommt es mit Serum Anti-A zur Verklumpung, handelt es sich um Blutgruppe A oder AB, verklumpt es mit Serum Anti-B, um Blutgruppe B oder AB, werden die Proben durch beide Seren agglutiniert um Blutgruppe AB. Mit Blutgruppe 0 kommt es zu keiner Agglutination (s. Abb. 4/10). In der ärztlichen Praxis wird zur Kontrolle stets eine Serumgegenprobe vorgenommen.

Die Bedeutung der Blutgruppen ist im Kapitel Genetik (S. 779) ausführlicher behandelt. Die Blutgruppen sind in der Bevölkerung nicht gleichmäßig vertreten. Die Verteilung ist zudem bei einzelnen Völkern und Rassen der Erde verschieden. In Mitteleuropa kommen etwa 40 % A und 0 vor, 15 % B und 5 % AB. Weiter konnte man durch Immunisierung von Kaninchen mit Menschenblut noch die Blutgruppenmerkmale M und N feststellen; jeder Mensch hat die Merkmale M oder N oder MN. Diese Blutgruppenmerkmale spielen in der Genetik eine Rolle. Weiterhin gibt es noch das zunächst an Rhesusaffen entdeckte Blutgruppenmerkmal Rh. Etwa 80 % der Europäer sind Rhpositiv (Rh), die anderen Rh-negativ (rh). Die Bedeutung des Rhesus-Faktors ist im Kapitel Genetik (S. 779) abgehandelt. Überträgt man einem rh-Menschen Rh-Blut, so können sich im Blut des Empfängers entsprechende Antikörper bilden, die bei einer weiteren Übertragung von Rh-Blut dessen Blutkörperchen agglutinieren, was zur Zerstörung der roten Blutkörperchen führt (Hämolyse). Hat ferner eine rh-Frau bei einer Schwangerschaft mit einem Rh-Kind (das den Rhesusfaktor vom Vater hat) durch Übertritt größerer Mengen von kindlichem Blut (z. B. bei der Geburt) oder durch Transfu-

38

pro(s) (gr.) – vorher; phylax ´ (gr.) – Beschützer, Wächter.

Abb. 4/10: Bestimmung der Blutgruppenzugehörigkeit. Feine Punktulierung symbolisiert keine, grobe Punktulierung symbolisiert Agglutination des Blutes. sion mit Rh-Blut Antikörper gegen bestimmte Rh-Merkmale gebildet, so können diese das Blut eines späteren Rh-Kindes agglutinieren; dadurch treten oft Fehl- und Totgeburten oder schwerste Schädigungen des Kindes auf, denn die Placentaschranke ist für Zellen und bestimmte Antikörper nicht vollständig undurchdringlich. Man kann diese Zwischenfälle durch rechtzeitigen Blutaustausch oder durch die sog. „Anti-D-Prophylaxe“ 38 vermeiden. Hierzu wird der Mutter ein Anti-Rh-Globulin injiziert, das die fremden Zellen im mütterlichen Kreislauf beseitigt, bevor sie eine Immunisierung auslösen können. Besteht zwischen Mutter und Kind eine Unverträglichkeit im AB0-System (z. B. Mutter 0, Kind A), so übernehmen die AB0-Antikörper diese Prophylaxe.

4.6.3

Struktur der Antikörper

Die Antikörper sind Glykoproteine, die im Serum die Fraktion der γ-Globuline darstellen. Ihre Menge macht zusammen etwa 20 % der gesamten Plasmaproteine aus. Die Immunglobuline oder Antikörper sind eine extrem heterogene Gruppe von Proteinen. Aufgrund typischer Merkmale ihrer molelukaren Struktur können sie in 5 verschiedene Klassen eingeteilt werden, die man mit IgA, IgD, IgE, IgG und IgM bezeichnet. Antikörper werden gebildet, wenn Immunogene oder Antigene in den Organismus eindringen. Für eine große Zahl von möglichen

290

Blut

Tab. 4/6: Struktureller Aufbau der Immunglobuline.

Schwere Ketten Leichte Ketten Molekularformel

γ κ und λ κ2γ2 λ 2γ2

Ig A 160 000 (Monomer) α κ und λ (κ2α2) n (λ2α2) n

Valenz für Antigenbindung Prozent des gesamten Immunglobulins

2

2

5 oder 10

?

?

80

13

6

1

0,002

Mittleres Molekulargewicht [D]

Ig G 150 000

Antigenen (man schätzt etwa 106) wird vom Organismus der jeweils spezifische Antikörper gebildet. Dies erklärt die hohe Vielfalt der verschiedenen Immunglobuline. Die Entstehung der extremen Vielzahl von Antikörpermolekülen ließ sich mit den herkömmlichen Vorstellungen über die Biosynthese von Proteinen nicht erklären. Nach der Ein-Gen-einProtein-Hypothese wäre allein für die Bildung der Immunglobuline eine so große Zahl ver-

Ig M 950 000

Ig D 175 000

Ig E 190 000

µ κ und λ (κ2µ2)5 (λ2µ2)5

δ κ und λ κ2δ2 λ2δ2

ε κ2ε2 λ2ε2

schiedener Gene erforderlich, daß das Genom des Menschen bei weitem nicht ausreichen würde. Den Schlüssel zur Erklärung dieser scheinbaren Abweichung von der Ein-Gen-ein-Protein-Hypothese lieferten Untersuchungen zur chemischen Struktur der Antikörpermoleküle. Die Immunglobuline sind aus 2 Typen von Polypeptidketten aufgebaut, die paarweise miteinander über Disulfidbrücken verbunden sind. Wegen

Abb. 4/11: Struktur eines Antikörpermoleküls der Klasse Immunglobulin G. V = variable Bereiche, S = Schwefelatome, CH 1, CH2, CH3 = konstante Bereiche der schweren Ketten.

Biologische Abwehrsysteme 291

ihrer unterschiedlichen Größe werden sie als schwere Ketten oder H-Ketten (heavy39) und leichte Ketten oder L-Ketten (light40) bezeichnet. Die H-Ketten der einzelnen Immunglobulin-Klassen weisen große Homologien41 in der Sequenz auf, das heißt: Über weite Bereiche der Polypeptidkette ist die Reihenfolge der einzelnen Aminosäuren nur geringfügig verändert. Man kann die H-Ketten als die Struktureinheit bezeichnen, die die Immunglobulinklasse bestimmen. Entsprechend der Nomenklatur für die einzelnen Klassen werden sie als α, δ, ε, γ und µ-Kette für die Immunglobuline A, D, E, G und M bezeichnet. Die L-Ketten kommen in zwei homologen Formen vor, die als κ- und λ-Ketten bezeichnet werden. In Tab. 4/6 ist der molekulare Aufbau der einzelnen Immunglobuline zusammengestellt. Der größere Teil der H-Ketten und L-Ketten ist für alle Antikörper gleich oder weist nur geringfügige Unterschiede auf. Die Vielfalt kommt dadurch zustande, daß sich am Ende der schweren und leichten Ketten variable Regionen befinden, deren Aufbau die spezifischen Eigenschaften des einzelnen Moleküls bestimmt. Die leichten und schweren Ketten sind derart miteinander verbunden, daß die variablen Regionen beider Ketten einander gegenüber liegen. Abb. 4/11 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Immunglobulins der Klasse G. Das Molekül ist symmetrisch aufgebaut und enthält an den Enden, den variablen Bereichen, die Bindungsstellen für das Antigen. Durch die spezifische Sequenz der Aminosäuren in diesen Bereichen ist eine räumliche Struktur entstanden, in die das Antigenmolekül mit seinen Bindungsstrukturen exakt hineinpaßt. Ein IgGMolekül hat demnach 2 Antigen-Bindungsstellen. Die übrigen Teile des Moleküls, die für alle Immunglobuline einer Klasse gleich sind, enthalten spezifische Bindungsstellen für andere Komponenten des Immunsystems (Komplement, Makrophagen u. a.). Ihre Funktion wird später beschrieben. 39 40 41 42

heavy (engl.) – schwer. light (engl.) – leicht. homóios (gr.) – gleich; lógos (gr.) – Wort, Sinn. klón (gr.) – Stamm = die aus einer Zelle hervorgegangene Zellpopulation. Die Klon-Selektionstheorie wurde von Frank M. BURNET, geb. 1899, Serologe, in Melbourne entwickelt. Er erhielt 1960 den Nobelpreis.

Die Entstehung der Antikörper kann nach der sogenannten Klon-Selektions-Theorie42 erklärt werden. Sie hat sich gegenüber anderen Theorien heute als grundsätzliches Modell der Antikörperbildung durchgesetzt. Nach dieser Theorie entsteht die genetische Information für die Biosynthese eines spezifischen Antikörpermoleküls noch nicht in der Keimzelle, sondern erst bei der Ausreifung und Differenzierung zur Antikörper-bildenden Zelle. Die Lymphocyten (s. S. 260ff) enthalten die genetische Information zur Bildung der konstanten Regionen der leichten und schweren Ketten. Weiterhin enthalten sie eine große Zahl von Genabschnitten für die variablen Bereiche. Bei der Reifung der Lymphocyten werden jeweils ein konstantes und ein variables Gensegment miteinander verknüpft, so daß die genetische Information für eine komplette Kette mit individuellen Eigenschaften entsteht. Da für die H-Ketten und LKetten jeweils unterschiedliche variable Bereiche entstehen, ist eine große Zahl von Kombinationen denkbar mit einer verhältnismäßig kleinen Zahl einzelner Gene. Aus jeweils 1 000 Genen für leichte und schwere Ketten können insgesamt 106 verschiedene Moleküle gebildet werden. Nach der Klon-Selektions-Theorie entstehen durch derartige Verknüpfungen eine große Zahl reifer Lymphocyten, von denen jeder einzelne die Information zur Synthese eines spezifischen Antikörpermoleküls enthält. Diese Antikörpermoleküle werden, in geringfügig abgewandelter Struktur, an der Zelloberfläche in die Membran eingebaut und dienen dort als Erkennungszeichen für Antigene, die in den Organismus eingedrungen sind. Wenn sich das Antigen mit dem an der Zelloberfläche lokalisierten Antikörper verbindet, wird auf noch ungeklärte Weise die Zelle veranlaßt, sich zu vermehren sowie neue Antikörper zu synthetisieren und nach außen abzugeben. Aus der Vielzahl der zur Antikörpersynthese befähigten Zellen wird eine einzige ausgewählt, einen „Klon“ zu bilden, d. h. Zellen gleichartiger genetischer Information. Heute ist es möglich, solche Zellklone künstlich zur Proliferation anzuregen, die hochspezifische Antikörper synthetisieren (monoklonale Antikörper). Die Entwicklung dieser Techniken, die für die Medizin und für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung sind, bedeutete einen überzeugenden Beweis für die Klon-Selektions-Theorie. Monoklonale Antikörper sind in der Regel nur gegen bestimmte Be-

292

Blut

reiche eines makromolekularen Antigens gerichtet. Diese Bereiche nennt man Epitop oder auch antigene Determinanten. Im Organismus werden durch ein Antigen meist verschiedene Antikörper-produzierende Zellen angeregt, deren Immunglobuline unterschiedliche Spezifitäten gegen verschiedene Epitope des Antigenmoleküls haben (polyklonale Antikörper).

4.6.4

Zelluläre Elemente des Immunsystems

Die Grundlage des Immunsystems bilden die Lymphocyten, die in großer Anzahl im Blut, der Lymphe und in speziellen lymphatischen Organen wie Thymus, Lymphknoten, Milz und (Blind)darm gefunden werden. Die Gesamtzahl der Lymphocyten wird auf 1- 2 · 1012 geschätzt, die gesamte Zellmasse entspricht der des Gehirns oder der Leber. Im Gegensatz zu den Zellen dieser Organe sind die Lymphocyten jedoch eine extrem heterogene Klasse von Zellen mit individuell verschiedenen Eigenschaften. Die Immunantwort des Organismus auf ein Antigen besteht in einer humoralen (Bildung von Antikörpern) und einer zellvermittelten Antwort. Für erstere sind die B-Lymphocyten, für letztere die T-Lymphocyten verantwortlich. Die im Blut zirkulierenden Lymphocyten entstehen aus Stammzellen in der Leber (Fetalzeit) und vor allem im hämatopoetischen Gewebe des Knochenmarks. Diese können über das Blut zum Thymus transportiert werden, wo sie sich in Lymphocyten umwandeln. Möglicherweise wird diese Differenzierung durch spezifische Thymushormone gesteuert. Ein Teil der Lymphocyten wird vom Thymus zu den Lymphknoten, den Tonsillen, der Milz und den lymphatischen Follikeln im Bereich der Schleimhäute, z. B. denen des Darmes, weitertransportiert, wo sie zu TLymphocyten (T von Thymus) ausreifen. Die B-Lymphocyten entstehen in den lymphatischen Organen unter Umgehung des Thymus. In Vögeln passieren diese Zellen, nachdem sie das Knochenmark verlassen haben, zunächst ein Organ, das als Bursa fabricii bezeichnet wird; daher kommt die Bezeichnung B-Lymphocyt. Beim Menschen werden sie offenbar unmittelbar vom Knochenmark (englisch: bone marrow)

43

suppress (engl.) – unterdrücken.

in die lymphatischen Organe transportiert. Abb. 4/12 gibt eine schematische Übersicht der Lymphocyten-Reifung. Weniger als 1 % der Lymphocyten zirkulieren im Blut, der überwiegende Teil verbleibt in den Geweben des lymphatischen Systems. Bemerkenswert ist, daß die Eigenschaften der Lymphocyten insbesondere in Feten und im Säuglings- bis Kleinkindesalter geprägt werden. Im Tierversuch konnte gezeigt werden, daß die Entfernung des Thymus bei Erwachsenen nur wenig Einfluß auf das zelluläre Immunsystem hat, da das lymphatische System auf die Neubildung von Stammzellen aus dem Knochenmark nicht mehr in gleichem Maße angewiesen ist wie beim Neugeborenen. Bei Menschen mit angeborenem Thymusmangel fehlt die Fähigkeit zur Entwicklung zellulärer Immunität. An Experimenten mit Thymusentfernungen an jungen Tieren konnte gezeigt werden, daß die im Thymus entwickelten Lymphocyten die peripheren lymphatischen Gewebe besiedeln und erst dann nach AntigenKontakt durch Teilung zu immunkompetenten Zellen ausreifen. Darüberhinaus produziert der Thymus in den sog. HASSAL-Körperchen einen oder mehrere humorale Faktoren (z. B. Thymosin). Diese sind, wenn sie nach Entfernung des Thymus beim Neugeborenen injiziert werden, in der Lage, die immunologische Störung zu verhindern, aber nicht die Unterentwicklung des lymphatischen Gewebes bzw. den Mangel an Lymphocyten zu beseitigen. Die Ausbildung immunkompetenter Zellen ist demnach in Lymphknoten und Milz nur bei Anwesenheit eines oder mehrerer aus dem Thymus stammender humoraler Reifungsfaktoren möglich. Alle Lymphocyten, die sich in ihrer Entwicklung auf den Thymus zurückführen lassen, werden als T-Lymphocyten bezeichnet.

4.6.4.1

Funktionen der Lymphocyten

Die B-Lymphocyten produzieren nach dem Kontakt mit einem spezifischen Antigen Antikörper, die als Immunglobuline ins Blut gelangen. Sie sind demnach verantwortlich für die humorale Immunabwehr. Die T-Lymphocyten sind der Wirkort der sogenannten zellulären Immunabwehr. Sie wirken entweder als „Helfer-Zellen“ oder „Suppressor“-T-Zellen43 auf B-Lymphocyten und aktivieren oder unterdrükken die Antikörperbildung. Andere Typen von T-Lymphocyten sind als sogenannte „Killer“Zellen oder cytotoxische T-Zellen an der Abtötung fremder Zellen, Virus-infizierter Zellen oder Krebszellen beteiligt. Durch die Bildung und Ausscheidung spezifischer Faktoren – Lymphokine oder Interleukine – können sie Makrophagen aktivieren, die ihrerseits körperfremde

Biologische Abwehrsysteme

Abb. 4/12: Schematische Darstellung der Lymphocyten-Reifung. Erläuterungen siehe Text.

293

294 Blut

Zellen phagocytieren. Bruchstücke phagocytierter fremder Zellen (oder Viren) werden von Makrophagen in ihre Membranen eingebaut und den Lymphocyten „präsentiert“. Die B-Lymphocyten werden in Zusammenarbeit mit Helfer-Zellen veranlaßt, sich zu vermehren und Gedächtniszellen (Memory-cells) und Plasmazellen zu bilden. Letztere produzieren antigenspezifische Antikörper, die Immunglobuline. Während Plasmazellen nur einige Tage bis Wochen überleben, können die langlebigen Gedächtniszellen nach erneutem Antigenkontakt sich erneut zu Plasmazellen differenzieren und massiv Antikörper bilden (Booster-Effekt; s. S. 287). Die zelluläre Abwehr funktioniert auch, wenn die humoralen Antikörper im Blut völlig fehlen. Man kann sie durch Injektion von Lymphocyten eines entsprechend vorbehandelten Organismus auf einen noch nicht behandelten Organismus übertragen. Die zelluläre spezifische Abwehrreaktion ist die Ursache für die Abstoßung von Transplantaten und für Unverträglichkeitsreaktionen, welche vom Empfänger gegen das übertragene Organ gerichtet sind. Bemühungen um eine Verhinderung der Abstoßungsreaktion sind zahlreich und werden z. Z. intensiv geprüft. Man versucht z. B. die gesamten Abwehrmechanismen des Empfängerorganismus durch Antilymphocytenserum zu unterdrücken. Die Gewebsübertragung wird z. Z. so durchgeführt, daß man versucht, Gewebe- und Organspender zu finden, deren gewebliche Antigeneigenschaften mit denen des Empfängers übereinstimmen.

4.6.4.2

Erkrankungen des Immunsystems

Es gibt angeborene und erworbene Störungen der Immunabwehr, die entweder die T-Zellen oder die B-Zellen oder beide Zellsysteme betreffen. Hierbei unterscheidet man folgende Krankheitsbilder: Primäre Defekte: 1. Schwerer kombinierter Immundefekt (SCID). Dies ist eine Störung, die wahrscheinlich auf der Ebene der Stammzellen liegt. 2. Zelluläre Immundefekte, z. B. bei Störungen der Entwicklung des Thymus oder bei Fehlanlagen im Bereich des Thymus, der Nebenschilddrüsen und des Herzens. 3. Antikörpermangelsyndrome, welche häufig X-chromosomal-rezessiv vererbt sind. Sekundäre Defekte: Erworbene Immundefekte können durch verschiedenartige Infektionen mit Bakterien, Protozoen oder Viren hervorge-

44

opsón (gr.) – Leckerbissen.

rufen werden, aber auch durch Mangelernährung, bösartige Tumoren, Nierenerkrankungen, schwere Zuckerkrankheit oder bei extremem Verlust von Proteinen durch MagenDarm-Erkrankungen sowie durch Lebererkrankungen entstehen. Eine in letzter Zeit immer häufiger auftretende erworbene Immunschwäche (Immundefizienzsyndrom; AIDS: acquired immuno deficiency syndrome) wird durch ein Virus (Retrovirus) verursacht, welches im Blut, aber besonders in Genitalsekreten vorkommen kann. Man bezeichnet die Störung auch als GRID. Dieses Wort ist ein Akronym für (englisch) gay (= Homosexueller) related immuno deficiency syndrome. Die Infektion führt spezifisch zur Zerstörung der T-Lymphocyten und damit zur Verminderung der Abwehrfähigkeit gegen Infektionen mit Krankheitserregern. Ein Nachweis der Infektion geschieht durch Untersuchungen von Antikörpern gegen das Humane ThymusLymphocyten-Virus Typ III (HTLV 3). Die von den Erkrankten gebildeten Antikörper reichen häufig nicht aus, um die Krankheitserreger zu vernichten, weshalb die Erkrankung oft tödlich verläuft. Für alle angeborenen und erworbenen Immunschwächen und -störungen ist die mangelnde Abwehr gegen Infektionskrankheiten charakteristisch. Normalerweise bildet der Organismus gegen seine eigenen Gewebsflüssigkeiten keine Antikörper. Diese Toleranz wird in der vorgeburtlichen Phase erworben. (Wird Kaninchenembryonen ein Albumin einer anderen Tierart injiziert, dann sind diese Kaninchen im Gegesatz zu nicht behandelten Kontrolltieren in ihrem Leben nach der Geburt nicht in der Lage, gegen dieses Albumin Antikörper zu entwickeln.) Unter krankhaften Bedingungen können jedoch u. U. auch einmal Antikörper gegen körpereigene Substanzen gebildet werden. Dabei treten Autoimmun-Erkrankungen auf. Die Myasthenia gravis ist z. B. eine Krankheit der Skelettmuskulatur, hervorgerufen durch Antikörper, die gegen Acetylcholinrezeptoren an der postsynaptischen Muskelfasermembran (s. S. 188) gerichtet sind.

4.6.5

Mechanismen der spezifischen Immunität

Durch Bindung zwischen Antigen und Antikörper werden Prozesse in Gang gesetzt, die zur Eliminierung des Antigens bzw. der antigentragenden Zelle führen. Die Antikörpermoleküle enthalten Strukturen, die als Erkennungsstelle für Makrophagen und Monocyten dienen. Das mit dem Antikörper beladene Antigen oder auch ganze Zellen werden an der MakrophagenOberfläche angelagert und anschließend in die Zelle aufgenommen (Phagocytose), wo sie durch enzymatische Prozesse abgebaut werden. Man nennt diese Antikörper, die Antigene für die Phagocytose erkennbar machen, opsonierende44 Antikörper.

Biologische Abwehrsysteme 295

Aktivierung des Komplementsystems. Das Komplementsystem besteht aus einer Gruppe von 11 verschiedenen Glykoproteinen. Sie sind in Form inaktiver Vorstufen im Plasma enthalten. Bei der Bindung von Antikörpern an Oberflächen-Antigene der Fremdzellen formt sich das Immunglobulin so um, daß eine Bindungsstelle für den ersten Komplement-Faktor entsteht. Dieser wird durch die Bindung aktiviert und kann nun andere Faktoren katalytisch aktivieren, die sich ebenfalls anheften. Der Komplex aus Immunglobulin und Komplementfaktoren bewirkt, daß die Zelloberfläche durchlässig für Salze wird, und führt dazu, daß die Zellmembranen zerstört werden. Zusätzlich wirkt eine Komponente des Komplementsystems als Erkennungsstelle für Makrophagen, so daß der Abbau der Zelle beschleunigt wird. Die Komplement-Aktivierung ist nur durch die Immunglobuline IgG und IgM möglich. Neben dieser spezifischen Aktivierung durch Antikörper gibt es auch einen unspezifischen Weg der Komplement-Aktivierung. Polysaccharide und Lipopolysaccharide von Bakterienzellwänden können den Plasmafaktor Properdin aktivieren, der wiederum das Komplementsystem wirksam werden läßt. Die zellvermittelte Immunantwort. Neben der Stimulierung der Antikörper-produzierenden BLymphocyten können Antigene auch T-Lymphocyten aktivieren und zur Vermehrung anregen, wobei spezifische T-Effektorzellen verschiedene Funktionen bei der Immunabwehr wahrnehmen. Nach Art ihrer Wirkung unterscheidet man T-Killerzellen, T-Helferzellen und T- Suppressorzellen. T-Zellen erkennen mittels eines membrangebundenen spezifischen Rezeptors (ein Protein, das mit den Immunglobulinen verwandt ist) Antigene, die auf der Oberfläche anderer Zellen (Makrophagen) in geeigneter Weise „präsentiert“ werden. Bei diesem Vorgang spielen die MHCProteine (MHC = major histocompatibility complex) eine entscheidende Rolle. Diese sehr heterogene Gruppe von Membranproteinen, die auch als HLA-Antigene (human leucocyte associated antigens) bezeichnet werden (s. S. 787) sind unter anderem verantwortlich für

45 46

kínesis (gr.) – Bewegung. ána (gr.) – herauf; phylax (gr.) – Wächter.

die bei der Transplantation körperfremder Gewebe oder Organe auftretenden Abstoßungsreaktionen. Die körpereigenen „Histokompatibilitätsantigene“ sind individualspezifisch und genetisch festgelegt. MHC I-Proteine sind auf der Oberfläche fast aller Körperzellen vorhanden, MHC II-Proteine sind vor allem auf den Zellen des Immunsystems (Lymphocyten, Makrophagen) lokalisiert. Die MHC-Proteine sind in der Lage, körperfremde Antigene zu binden. Der MHC-Antigen-Komplex auf der Zelloberfläche kann von spezifischen Rezeptoren auf der T-Zelle erkannt werden. Ist die T-Zelle eine Killerzelle, wird sie durch die Wechselwirkung zwischen Rezeptor und MHC-gebundenem Antigen zur Sekretion eines Perforin genannten Proteins angeregt, das die Membran der MHC-tragenden Zelle zerstört. T-Helferzellen werden durch Kontakt mit Makrophagen, die MHC-gebundenes Antigen tragen, zur Bildung von „Lymphokinen“ angeregt. Lymphokine 45 wie das Interleukin 2 und das Interleukin 3 sowie das von Makrophagen sezernierte Interleukin 1 sind Peptide, die die Lymphocyten zur Vermehrung und Antikörperbildung stimulieren. Die Funktion von Makrophagen besteht bei der Antigenpräsentation unter anderem darin, das Antigen in die Zelle durch Phagocytose aufzunehmen und durch enzymatische Prozesse teilweise zu Peptidfragmenten abzubauen, wodurch erst das für die Bindung an MHC-Proteine geeignete Epitop entsteht. Hypersensitivität. Es gibt verschiedene Mechanismen, die bewirken, daß im Blut zirkulierende Antikörper übersteigerte Abwehrreaktionen des Organismus auslösen können. Bei der anaphylaktischen46 Hypersensitivität werden im Blut zirkulierende IgE-Antikörper an Mastzellen gebunden. Bei einem erneuten Eindringen von Antigen (Graspollen, Hundehaare, Staub, andere Allergene) wird dieses an die Antikörper gebunden, was zur Degranulation der Mastzellen und zur Freisetzung von Histamin und Serotonin führt. Diese Stoffe können die Kontraktion glatter Muskelzellen sowie die Gefäßpermeabilität verändern. Diese Reaktionen werden als Anaphylaxie bezeichnet, da sie einen besseren Zugang von Abwehrstoffen zu einem Entzündungsherd bewirken. Sie können jedoch bei Konstriktion der glatten Muskeln der Bronchien zu lebensbedrohender Atemnot sowie durch Erweiterung der Blutgefäße (periphere Widerstandserniedrigung) zu einem dramatischen Blutdruckabfall führen. Die zellvermittelte Hypersensitivität spielt bei allergischen Hautreaktionen eine Rolle. Sie beruht darauf, daß bestimmte T-Lymphocyten, die beim ersten Antigen-Kontakt entstanden waren, bei erneutem Antigenreiz Lymphokine freiset-

296 Blut zen. Dies sind Faktoren, die entzündliche Prozesse einleiten (z. B. allergisches Ekzem).

4.6.6

Unspezifische Abwehrsysteme

Die unspezifischen Abwehrsysteme des Körpers sind angeboren und funktionieren unabhängig davon, ob der Organismus zuvor schon einem Krankheitserreger ausgesetzt war. Zum Teil sind sie zellulärer Natur, zum Teil werden sie durch in den Körperflüssigkeiten gelöste Stoffe (Proteine) ausgelöst (humorale Abwehrsysteme). Die Rolle der neutrophilen Zellen ist auf S. 264, die der phagocytierenden Makrophagen auf S. 266 dargestellt. Krankhafterweise kann der Phagocytosevorgang gestört sein oder auch die Fähigkeit von Granulocyten zur Migration. Beides bewirkt erhöhte Anfälligkeit für Infektionen. Manche Bakterien haben die Fähigkeit, die Phagolysosomenbildung zu verhindern (Mykobakterien) oder nach Phagocytose den Granulocyten abzutöten (Staphylokokken oder Streptokokken). Gegen solche Erreger und gegen Viren sind nur die spezifischen Abwehrsysteme wirksam.

Zu den humoralen Abwehrstoffen gehört das Lysozym, ein Enzym, das in verschiedenen Geweben, in Körperflüssigkeiten wie Speichel, Tränenflüssigkeit u. dergl. sowie in den Granula von Leukocyten vorkommt. Beim Zerfall dieser Zellen wird es freigesetzt und gelangt in die extrazelluläre Flüssigkeit, aber auch an die Oberfläche der Darmschleimhaut sowie der Schleimhäute des Magens, des Rachenraumes und der Augen. Es bewirkt eine Auflösung der Zellwände von Mikroorganismen und tötet hierdurch bakterielle Krankheitserreger ab. Lysozym-Präparate werden daher zur Vorbeugung von Erkältungskrankheiten und Infekten eingesetzt. Eine Resistenz gegenüber Virusinfektionen vermitteln die Interferone. Interferon α, β und γ sind Glykoproteine, die von Makrophagen, Fibroblasten oder T-Lymphocyten nach einer Virusinfektion gebildet werden. Sie binden an spezifische Oberflächenrezeptoren nicht infizierter Zellen und lösen hierdurch eine Kaskade chemischer Reaktionen aus, in deren Folge Transkriptionsfaktoren aktiviert werden, die die Expression bestimmter Gene steuern. Dies bewirkt, daß nicht infizierte Zellen gegen eine Infektion widerstandsfähig werden. Diese Widerstandsfähigkeit wird dadurch erreicht, daß in der Zelle Enzymsysteme gebildet werden, die die Vermehrung von Viren verhindern und deren

Erbmaterial abbauen. Das Interferon verhindert, daß ein mit Viren infizierter Organismus durch andere Viren infiziert wird. Man versucht daher, Interferone therapeutisch gegen Virusinfektionen oder bei Tumorerkrankungen einzusetzen. Das Komplementsystem (s. auch S. 295) kann ebenfalls als unspezifisches Abwehrsystem wirken. Es besteht aus mehreren Proteinen, die durch verschiedene Mechanismen aktiviert werden können und die Auflösung von Zellmembranen bewirken. Die unspezifische zelluläre Abwehr erfolgt durch Monocyten, Granulocyten, Histiocyten und Zellen des reticuloendothelialen Systems. Diese Zellen haben an der Oberfläche relativ unspezifische Bindungsstellen und sind in der Lage, Fremdzellen zu binden, zu phagocytieren und intrazellulär durch enzymatische Prozesse abzubauen.

297

5 Blutkreislauf und Kreislaufsorgane Das Blut wird in den Gefäßen durch den Körper befördert, angetrieben von der Tätigkeit des Herzens. Die das Blut aus dem Herzen führenden Gefäße werden Schlagadern oder Arterien, die das Blut zum Herzen bringenden Gefäße Blutadern oder Venen genannt, wobei die Beschaffenheit des Blutes keine Berücksichtigung findet (Lungenkreislauf!). Während der Übergang von den Venen zu den Arterien im Herzen stattfindet, liegt er zwischen den Arterien und Venen in den Geweben und Organen; dort gehen die sich aufzweigenden Arterien in die mikroskopisch feinen Kapillaren (Haargefäße) über, durch deren Wände sich der Stoffaustausch vollzieht, und die Kapillaren münden danach in die Venen. Während man im Altertum glaubte, daß die Arterien 1 Luft führen, weil sie im Tode leer erscheinen, und nur die Venen bluthaltig seien („Blutader“), wurde später wohl die Beobachtung gemacht, daß auch die Arterien Blut führen. Doch konnte man keinen Übergang von den Arterien zu den Venen finden und war daher eine Zeitlang der Meinung, daß das Blut der Arterien in den Geweben verbraucht und dann an den Anfängen der Venen wieder neu gebildet würde. Erst HARVEY hat 1628 geschlossen, daß ein Übergang durch unsichtbare Kapillaren vorhanden sein müsse. Der Nachweis der Kapillaren erfolgte einige Jahrzehnte später durch MALPIGH I2.

1

2

3 4

von aër (gr.) Luft; durch die kräftige Kontraktion der starken Wandmuskulatur werden die Schlagadern im Tode entleert; vgl. auch Trachea. MALPIGH I, M., 1628-1694, Begründer der Gewebelehre. átrium (lat.) – Vorhof. ventrículus (lat.) – Bäuchlein. Mit dem gleichen Ausdruck sind auch der Magen und die Hirnkammern belegt.

5.1 Herz Das Herz (Cor) betreibt als Druck- und Saugpumpe zwei hintereinander geschaltete Kreisläufe und ist dementsprechend durch Scheidewände in zwei Hälften getrennt. Das rechte Herz treibt das vom Körper kommende Blut in die Lunge, das linke Herz das von der Lunge kommende in den Körper. In jeder Herzhälfte ist ein zweifacher Ventilmechanismus vorhanden, der Klappenapparat. Durch ihn wird die Strömungsrichtung des Blutes gesichert. Je ein Ventil befindet sich als Taschenklappe in den vom Herzen abgehenden Arterien, die beiden anderen Ventile liegen als Segelklappen in den Herzhälften selbst. Durch sie wird jede Herzhälfte in einen Vorhof (Atrium3) und eine Kammer (Ventrikel 4) unterteilt. Aus dem Körper kommt durch die obere und untere Hohlvene das sauerstoffarme und kohlensäurereiche Blut, das außerdem noch in der unteren Hohlvene Nährstoffe aus Leber und Darm führt. Die Hohlvenen münden in den rechten Vorhof, aus dem das Blut durch die dreizipflige Segelklappe in die rechte Kammer und von dort durch die Lungenschlagader mit ihrer dreiteiligen Taschenklappe in die Lunge gepumpt wird. Das Blut gelangt dann aus der Lunge, wo es Kohlendioxid abgegeben und Sauerstoff aufgenommen hat, durch die Lungenvenen in den linken Vorhof. Von dort wird es weiter durch die zweizipflige Segelklappe in die linke Kammer und aus dieser in die Körperschlagader (Aorta) mit ihrer gleichfalls dreiteiligen Taschenklappe gepumpt. Damit wird das Blut wieder dem Körper zugeführt. Abb. 5/2 zeigt die Strömungsverhältnisse.

5.1.1

Form und Lage des Herzens

Die Größe des Herzens entspricht in der Norm etwa dem anderthalbfachen der geballten Faust seines Trägers; das Gewicht (ohne Blutinhalt)

298 Blutkreislauf und Kreislauforgane

Abb. 5/1: Lage des Herzens im Brustkorb. Die das Herz verdeckenden Teile des Skeletts sind durchsichtig dargestellt. Blutgefäße, die sauerstoffreiches Blut führen, sind rot, solche mit kohlendioxidreichem (sauerstoffarmem) Blut sind blau dargestellt.

beträgt etwa 0,5 % des Körpergewichts, das sind 300-350 g beim Erwachsenen. Das Volumen beträgt im Mittel 780 ml. Schwerarbeiter und Sportler (s. S. 453) besitzen aber ein relativ größeres Herz, ohne daß dieses krankhaft ist. In seiner charakteristischen Form, die einem abgerundeten Kegel gleicht, liegt es im Mittelfell (Mediastinum5) des Brustraums dem Zwerchfell 5

Das ist der Eingeweideraum zwischen den Lungen, s. S. 366.

auf, doch nicht genau in der Mitte, sondern so, daß zwei Drittel links, ein Drittel rechts der Mitte des Brustkorbes zu liegen kommen. Die Herzspitze berührt die vordere Brustwand im 5. Zwischenrippenraum etwas einwärts unter der linken Brustwarze (Abb. 5/1). Die Mittelachse des Organs erstreckt sich von da aus nach hintenoben-rechts mit einem Winkel von etwa 40° zur Horizontal- und zur Stirnebene. Bei Kindern und Pyknikern liegt aber die Achse flacher, bei Asthenikern und Leptosomen steiler. Außerdem ändert sich die Stellung der Herzachse auch ständig

Herz Abb. 5/2: Herzstruktur und Blutstromverlauf durch Herzvorhöfe und -kammern. Schema. Sauerstoffreiches Blut (rot) durchfließt das linke Herz, kohlendioxidreiches (sauerstoffarmes) Blut (blau) das rechte. a – Aortenbogen (Arcus aortae), b–d – Arterien zu Kopf und oberen Extremitäten, b – re Arm-Kopf-Arterie (Truncus brachiocephalicus), c – li Kopfarterie (Arteria carotis communis), d – li Schlüsselbeinarterie (A. subclavia); e, e' – li bzw. re Lungenarterie (A. pulmonalis, ungeteilt dargestellt), f, f' – li bzw. re Lungenvene (Vena pulmonalis), g – li Vorhof, h – Aortenklappe, i – Mitralklappe, j – li Herzkammer, k – re Herzkammer, l – absteigende Aorta (Aorta descendens), m – Tricuspidalklappe, n – untere Hohlvene (V. cava inferior), o – re Vorhof, p – Pulmonalklappe, q – obere Hohlvene (V. cava superior).

mit den Atembewegungen (Abb. 7/14, S. 374, 7/ 15a und 7/16, S. 375). Infolge einer Drehung um die Mittelachse liegt das rechte Herz mehr nach vorne, das linke mehr nach hinten.

5.1.2 5.1.2.1

Aufbau des Herzens Außenansicht

Von vorne sieht man (Abb. 5/3) in der Hauptsache auf die rechte Kammer (Ventriculus dexter), aus der nach oben der Lungenschlagaderstamm (Truncus pulmonalis) abgeht. Dieser biegt dann nach hinten um und verzweigt sich (unter dem Aortenbogen) in die linke und rechte Lungenarterie (A. pulmonalis) zu den beiden Lungenflügeln. Rechts von der rechten Kammer, durch die nahezu senkrechte Kranzfurche abgesetzt, liegt der rechte Vorhof (Atrium dextrum). Von ihm erstreckt sich oben nach links zur Lungenschlagader hinüber ein Zipfel, das rechte Herzohr. In den rechten Vorhof mündet von oben die obere Hohlvene. Die von unten kommende untere Hohlvene ist von vorn nicht sichtbar, da sie vom Hinterrand der Leber – durch das Zwerchfell hindurch – direkt von unten in den rechten Vorhof einmündet. Von der linken Kammer (Ventriculus sinister) ist von vorne nur ein schmaler Streifen links und oberhalb der rechten Kammer zu sehen. Sie bilAbb. 5/3: Herzansicht von vorne mit Herzkranzgefäßen ohne Epikard. a – Aortenbogen, b – re Arm-Kopf-Arterie, c – li Kopfarterie, d – li Schlüsselbeinarterie, e – li (noch ungeteilte), e' – re (geteilte) Lungenarterien, beide aus der f – Lungenschlagader (Truncus pulmonalis) entspringend, g, g' – li bzw. re Lungenvene, h – li Vorhof (Herzohr), i – li Ventrikel, j – Äste der li Herzkranzarterie (A. coronaria sinistra), k – Herzspitze, l – absteigende Aorta, m – untere Hohlvene, n – re Herzkranzarterie (A. coronaria dextra), o – re Vorhof mit p – re Herzohr, q – Einmündung der unpaaren Vene (V. azygos).

299

300

Blutkreislauf und Kreislauforgane

Abb. 5/4: Herz von hinten mit Zwerchfellkontur. Herzkranzarterien rot, Herzvenen blau dargestellt. a – Aortenbogen, b – obere Hohlvene, c – Lungenarterien, d – linker Vorhof und Lungenvenen, e – rechter Vorhof, f – rechte Kammer, g – untere Hohlvene, h – Speiseröhre, i – absteigende Aorta, k – linke Kammer, l – Zwerchfell.

det auch die Herzspitze. Über ihr sieht man, wiederum bis an die Lungenschlagader heranreichend, das linke Herzohr, einen Teil des hauptsächlich hinten liegenden Vorhofes (Atrium sinistrum), in welchen die Lungenvenen, von links und rechts kommend, einmünden. Die aus der linken Kammer hinter der Lungenschlagader entspringende Aorta (Körperschlagader) zieht nach rechts oben und macht über die Lungenschlagader einen Bogen, um dann hinter dem Herzen nach abwärts weiter zu verlaufen. Im Röntgenbild sehen wir zwar die linke und rechte Kontur des Herzschattens, nicht aber die untere, da Herz- und Leberschatten ineinander übergehen (Abb. 7/15, S. 375). Die dem Zwerchfell aufliegende Unterfläche des Herzens wird vom rechten Vorhof und von den beiden Kammern gebildet; auf der Hinterseite (Abb. 5/4) liegt größtenteils der linke Vorhof mit den einmündenden Lungenvenen.

6

7

Während der Herzentwicklung werden am venösen Teil zwei Abschnitte angelegt, der dünnwandige Sinus (s. S. 800) und das rauhwandige Atrium. Beide vereinigen sich zum späteren einheitlichen Vorhof. An der Grenze beider liegt der Sinusknoten (s. S. 312). válva (lat.) – Klappe; tri (lat.) – drei; cúspis (lat.) – Spitze.

5.1.2.2

Innenräume und Klappensysteme

Von den Innenräumen des Herzens haben nur die Hauptteile der Vorhöfe eine glatte Wandung (Sinusteil6). In den Herzohren, die Seitenteile der Vorhöfe sind, und vor allem in den Kammern springen Muskelwülste vor. In der Öffnung zwischen rechtem Vorhof und rechter Kammer (Abb. 5/5) ist ein bindegewebiger, in die Kammer hineinragender Schlauch befestigt, der durch lange Einschnitte in drei Segel unterteilt ist, die dreizipflige Segelklappe (Valva tricuspidalis7). Die freien Enden der Segel sind durch Sehnenfäden an den Papillarmuskeln befestigt. Dies sind zapfenförmige Muskelvorsprünge an den Innenseiten der Kammerwände, deren Spitzen auf die Segel zu gerichtet sind. Durch diese Anheftung wird ein Zurückschlagen der Segel in die Vorhöfe bei der Kammerkontraktion verhindert. Der Weg des Blutes, das aus dem Vorhof durch die offene Segelklappe in die Kammer gelangt ist, geht um das vordere Segel herum in die sich konisch verengende Ausströmungsbahn. Am Eingang in die Lungenschlagader befindet sich eine Taschenklappe (Pulmonalisklappe), die aus drei schwalbennest-

Herz

Abb. 5/5: Darstellung der Strombahn des Kohlendioxid-reichen Blutes durch das Herz (blau). Ansicht von vorne; rechte Herzkammer eröffnet. Die Kammermuskulatur ist tiefrot, die Herzkranzarterien sind hellrot dargestellt.

oder taschenartigen, in das Lumen hineinragenden, derben Bindegewebshäutchen besteht (Farbtafel 10, S. 329, Abb. 5/5, 5/6). Zwischen linkem Vorhof und linker Kammer ist ebenfalls eine Segelklappe eingeschaltet, die aber nur aus zwei Segeln besteht, die zweizipflige Segelklappe (Valva bicuspidalis, meist Mitralis oder Mitralklappe8 genannt). An der Ausmündung in die Aorta befindet sich wie bei der Lungenarterie eine dreiteilige Taschenklappe (Aortenklappe). Klappenfehler. Entzündungen der Herzinnenhaut (Endocarditis) verheilen meist mit narbigen Einlagerungen. Dabei werden fast immer auch eine oder mehrere der Klappen (Se-

8

9 10 11

mítra (lat.) – die Kopfbedeckung der Griechinnen und Römerinnen, später des Bischofs. Durch die zwei Segel hat die Klappe eine gewisse Ähnlichkeit mit einer Mitra. stenós (gr.) – eng. insufficiéntia (lat.) – Unzulänglichkeit. éndo (gr.) – innen; cárdium (lat.) – Herz.

301

Abb. 5/6: Herzskelett mit Klappen (Ventilebene) schräg von oben hinten gesehen. Die Vorhöfe sind oberhalb der Segelklappen entfernt. a – Pulmonalarterienklappe, b – Aortenklappe. Rechts ist der Abgang der rechten Herzkranzarterie (c) sichtbar. d – Tricuspidalklappe, e – Einmündung der Herzvenen (Sinus coronarius) in den rechten Vorhof, f – Mitralklappe, g – Herzskelett mit Durchgang des Erregungsleitungsbündels, h – linke Herzkranzarterie.

gel- wie Taschenklappen) von Verwachsungen betroffen; sie können sich dann unter Umständen nicht mehr vollständig öffnen (Stenose9) oder nicht mehr vollkommen schließen (Insuffizienz10), was als Herzfehler (Vitium cordis) bezeichnet wird. Die Klappe kann auch in einer Mittelstellung so starr werden, daß sie sich kaum weiter öffnet noch schließt, so daß einerseits nicht mehr genügend Blut aus dem Vorhof in die Kammer oder aus der Kammer in die Arterie gelangt, andrerseits immer wieder ein Rückfluß stattfindet, wenn die Klappe sich schließen sollte. Ein Teil des Blutes pendelt so durch die Klappe hin und her, statt normal weiterzufließen. Es gibt auch Kombinationen von Herzklappenfehlern, wenn mehrere Klappen nicht normal funktionieren.

5.1.2.3

Herzinnenwand (Endocard 11)

Das Innere der Herzräume ist durch eine meist dünne Bindegewebsschicht ausgekleidet, deren innerste Zellen als Endothelbelag die Oberfläche, selbst wo sie nicht eben ist, vollkommen glatt überzieht, so daß dem Blut nirgends eine Strömungsbehinderung durch Reibung oder gar eine Gerinnungsmöglichkeit gegeben ist.

302 Blutkreislauf und Kreislauforgane

5.1.2.4

Herzskelett

Die vier Klappen des Herzens sind in Bindegewebsfaserringen befestigt, die annähernd in einer Ebene liegen (Ventilebene) und miteinander zusammenhängen. Die Ringe und die dazwischenliegenden dreieckigen Faserplatten bilden das sog. Herzskelett (Abb. 5/6). Von ihm geht die Muskulatur der Vorhöfe nach oben und die erheblich stärkere Muskulatur der Kammern nach unten ab. Nur das vom rechten Vorhof zu den Kammern ziehende Erregungsleitungssystem geht durch das Herzskelett hindurch. 5.1.2.5

Herzmuskulatur

Die Muskelschicht des Herzens (Myocard 12), aus der speziellen Herzmuskulatur bestehend, gibt dem Organ die Fähigkeit, durch ihre Kontraktion das Blut fortzubewegen. Die Arbeitsmuskulatur des Herzens erscheint wie ein Mittelding zwischen der glatten und der Skelettmuskulatur. Sie ist vom Willen kaum beeinflußbar, ist quergestreift wie die Skelettmuskulatur, die Myofibrillen bestehen aus gleichgeordneten A- und I-Banden mit Z-Zonen (Abb. 5/7). Die einzelnen Zellen sind nicht in gleicher Weise durch Zwischenbindegewebe und interzelluläre Kontakte miteinander verkoppelte Zellen wie die glatten Muskelzellen, noch sind sie vielkernige Syncytien wie die Skelettmuskelfasern, sondern sie sind Einzelzellen von ca. 0,1 mm Länge, die einen längsgestreckten, netzartigen Verband bilden. Jede Zelle dieses Verbandes ist selbst langgestreckt und verzweigt. In ihrer Mitte liegen ein, nicht selten zwei Zellkerne. Die Myofibrillen ziehen in Längsrichtung durch die Zellen, wobei sie den Zellkern umlaufen, so daß vor und hinter diesem ein fibrillenfreier Sarkoplasmakegel erscheint. Wo die Enden zweier Zellen aneinanderstoßen, sind die stark gefältelten Zellmembranen als großflächige Macula adhaerens (s. S. 88) miteinander verbunden, was im Lichtmikroskop als „Glanzstreifen“ zu erkennen ist. An ihnen enden die Myofibrillen. Sie sichern durch gute Kohäsion eine Verbindung zwischen den Zellen bzw. Fasern, so daß der Zug einer kontrahierbaren Einheit achsengerecht auf die nächste Einheit (Zelle) übergehen kann. Der 12

mys, gen. myós (gr.) – Maus, Muskel bedeutend, vgl. musculus.

elektrische Widerstand zwischen den Zellwandabschnitten, die durch Glanzstreifen verbunden sind, ist ca. 400 mal niedriger als derjenige der übrigen Zellmembran und begünstigt besonders die Erregungsausbreitung, d. h. den Ionenstrom von einer Zelle auf die andere. Die Verbindungen sind gap junctions (s. S. 90). So kann der Herzmuskel wie ein Syncytium funktionieren, obwohl kaum cytoplasmatische Verbindungen zwischen den Zellen bestehen (s. S. 30). Es gibt einen Zellverband der Vorhöfe, welcher vom Zellverband der Ventrikel durch einen Bindegewebsring getrennt ist. Erregungen des Vorhofs gelangen über ein spezielles Leitungssystem in das ventrikuläre Myocard. In den Spalten zwischen den Herzmuskelfasern liegt Bindegewebe mit den ernährenden Gefäßen und vegetativen Nervenfasern. Wie bei der Skelettmuskulatur sind auch hier kleinere Bündel von gemeinsamen Bindegewebshüllen umschlossen und schließen sich zu größeren Bündeln zusammen. Die Wand der Vorhöfe ist dünn; die Muskelschicht umhüllt hier einen ungefähr kugeligen Hohlraum, in den die Venen einmünden und der sich in die Kammer öffnet. Die Muskelwand der Kammern ist dagegen erheblich dicker, besonders die der linken Kammer, die den Körperkreislauf zu bewältigen hat; sie mißt normalerweise gut 1 cm. Auf einem Querschnitt durch beide Kammern erkennt man deutlich den Unterschied ihrer Wandstärke (Abb. 5/8) und sieht auch, daß die rechte Kammer sich der runden Form der linken anschmiegt. In der äußersten Schicht der Kammerwände gehen die Muskelfasern vom Herzskelett aus in steilen linksgewundenen Zügen zur Spitze hin, wo sie Wirbel bilden und die Herzspitze schleifenförmig umziehen. Je weiter man die Muskelschichten von außen nach innen abträgt, desto weniger steil streben sie zur Spitze hin, bis sie in der Mitte der Wand ringförmige Züge bilden (Abb. 5/9). Noch weiter innen ziehen die Faserzüge sogar wieder rückläufig hoch zum Herzskelett. Die innerste Schicht bildet nach dem Innenraum zu die Muskelwülste (Trabekel) und die Papillarmuskeln. Die Muskulatur der Kammern ist somit ein in sich geschlossenes System, das seinen Anfang und sein Ende am Herzskelett hat. Sie wird daher auch stets als Ganzes erregt und kontrahiert sich als Ganzes.

Die mechanischen Vorgänge der Herzmuskelkontraktion haben gegenüber den elektrischen Abläufen eine Verzögerung. Die Reihenfolge der Vorgänge bei Erregung, Kontraktion und Erschlaffung sind ähnlich wie die bei der Skelett-

Herz

303

Abb. 5/7: Herzmuskulatur im Längs- und Querschnitt, schematisiert. a) Arbeitsmuskulatur. Herzmuskelzellen sind miteinander über Glanzstreifen (Discus intercalaris; gelb) zu Herzmuskelfasern verbunden. Der zentralständige Zellkern liegt im myofibrillenfreien Sarkoplasma (mit Mitochondrien, Glykogen, Lipofuscin), das myofibrillenreiche Sarkoplasma ist quergestreift. Im reticulären Versorgungsbindegewebe Kapillaren; F = Fibrocyt. b) Längsschnitt durch eine „spezifische“, der Erregungsleitung dienende Herzmuskelfaser (PURKINJE-Faser). Auch diese Fasern bestehen aus Einzelzellen. Die einzelne Zelle hat ein umfangreiches myofibrillenfreies Endoplasma, das als Glykogen (Energie!)-Speicher dient und in dem in der Regel zwei Zellkerne (Dienergidie) liegen. Die Myofibrillen (Querstreifung) sind an den Rand gedrängt. c) Querschnitt: Links eine P URKINJE-Faser, rechts Arbeitsmuskulatur. Die Herzmuskelzellen sind auf unterschiedlichen Höhen getroffen.

Abb. 5/8: Querschnitt durch das untere Drittel beider Herzkammern, die Herzmuskulatur ist erschlafft. a – Kammerscheidewand, b – rechte Kammer, c – Äste der Herzkranzgefäße, d – linke Herzkammer, e – Anschnitt eines Papillarmuskels.

Abb. 5/9: Schema des Verlaufs der Herzkammermuskulatur. (Nach BENNINGHOFF).

304

Blutkreislauf und Kreislauforgane

Abb. 5/10: Schema der Herzaktion in 4 Phasen. 1 – Ruhephase (V – Hohlvenen, Vh – Vorhof, K – Kammer; A – Arterie). 2 – Vorhofsystole (P – Pericard). 3 – Kammersystole mit gleichzeitiger Vorhofdiastole. 4 – Kammerdiastole. Die schwarzen Pfeile geben die Bewegung der Ventilebene an, die Pfeilspitzen oben rechts den Druck der elastischen Arterienwand. Die roten Pfeile geben die Bewegung des Blutes an.

muskulatur (s. S. 188). Stichwortartig dargestellt: Bei der Erregung kommt es nach Depolarisation der Zellmembran zu einem Calciumübertritt über das tubuläre System der Muskelfasern in das Sarkoplasma, Calcium wird an Troponin gebunden, es entsteht eine Actin-Myosin-Interaktion, die durch ATP-Spaltung mit der notwendigen Energie versorgt wird; die Muskelfilamente greifen ineinander ein. Bei der Erschlaffung wird Calcium aus dem Sarkoplasma zurückgepumpt. Der zeitliche Ablauf der Erregung und der Kontraktion ist aber anders als derjenige des Skelettmuskels. Bei Herzklappenfehlern kann als biologische Reaktion auf die erschwerten Kreislaufverhältnisse die Muskulatur derjenigen Herzkammer hypertrophieren 13, die Blut durch die defekte Klappe pumpt, so daß die Wandung mehrere Zentimeter dick werden kann. Meist kommt es dabei auch zur Erweiterung des betroffenen Herzteils. Auch das Sportherz hat eine dickere Wand als es der Norm entspricht, was aber nicht als krankhaft anzusehen ist (s. S. 453).

5.1.2.6

Herzbeutel

Das Herz ist von einem Gleitspalt umgeben, der nach außen durch den Herzbeutel (Peri-kard14) abgeschlossen ist und etwas seröse Flüssigkeit

13

14 15

Hypertrophie ist eine Vergrößerung der Zellen eines Gewebes über das normale Maß hinaus, doch ohne Änderung der Gewebsstruktur. hypér (gr.) – über; tréphein (gr.) – ernähren. Zellvermehrung wird als Hyperplasie bezeichnet. péri (gr.) – um-herum. epí (gr.) – auf.

enthält. Damit ist es ähnlich wie Lunge oder Darm während seiner Aktion verschiebbar. Die Herzoberfläche selbst ist von einem mesothelabgedeckten Bindegewebe überzogen (Epikard15), wobei alle Unebenheiten durch Einlagerungen von Baufett auf der Herzoberfläche ausgeglichen sind. Die Herzohren sind Teile der Vorhöfe und dienen ebenfalls mit zur Ausfüllung der großen Lücken zwischen den Vorhöfen, der Aorta und der Lungenschlagader. So erhält das Herz im ganzen seine abgerundete Form. Herzbeutel und Epikard gehen an den Gefäßen ineinander über, dort hat der Gleitspalt sein Ende. Hier verbinden die Gefäße das Herz mit der Umgebung. Der Herzbeutel selbst ist mit der Umgebung verwachsen, besonders mit dem Zwerchfell und der Brustvorderwand. Er wird nicht nur durch seinen Inhalt, das Herz, sondern auch durch den Unterdruck im Brustraum (s. S. 372) weitgehalten. Dadurch ist überhaupt erst eine vollständige Leistungsfähigkeit des Herzens möglich. Ohne den Unterdruck würden bei der Kammersystole die Kammern volumenmäßig verringert, ohne daß sich die Vorhöfe optimal weiten; die Herzleistung würde merkbar verringert. Der Herzbeutel besteht im wesentlichen aus straffem, kollagenem Fasergewebe und ist nur in begrenztem Maße dehnbar; bei einem Wandriß des Herzens (z. B. nach Infarkt) kann das Herz in den Herzbeutelraum hinein verbluten und sich dadurch selbst den Aktionsraum verstopfen (Herztamponade). Bei Vergrößerung des Herzens wächst der Herzbeutel durch Faserumbau (s. S. 113ff) mit.

Herz

305

Abb. 5/11: Die Beziehungen der mechanischen, elektrischen und akustischen Herzaktionen zueinander bei Ruhefrequenz des Herzens.

5.1.3

Mechanik der Herzaktion

Zu Beginn jeder Herzaktion findet eine Kontraktion der Vorhöfe statt, die Vorhofsystole16. Durch sie wird, ohne daß das Blut dabei große Bewegungen macht, hauptsächlich die Ventilebene bei offenen Segelklappen über das Blut vorhofwärts hinwegbewegt (Abb. 5/10). Danach ist in den Vorhöfen weniger, in den Kammern mehr Blut enthalten. An diese Vorhofkontraktion schließt sich mit einer Verzögerung von ca. 1/10 s, während der die Erregung vom Vorhof auf die Kammern übergeleitet wird, die starke Kontraktion der Kammern an, die Kammersystole. Bei der Anspannung der Kammerwandmuskulatur wird das Blut innerhalb der Kammern etwas verschoben,

16

Systole, ´ von systolé (gr.) – das Zusammenziehen.

die längsovalen Herzkammern formen sich dabei um und nehmen eine mehr kuglige Gestalt an. Die bei Beginn der Anspannung auftretende Kontraktion der Papillarmuskeln zieht die Segelklappen von der Wand so in das Ventrikelinnere, daß Blut zwischen Klappen und Herzwand strömt. Bei Beginn des Druckanstiegs in den Kammern schließt infolgedessen das in den Kammern verschobene Blut die Segelklappen zwischen Kammern und Vorhöfen. Erreicht der Druckanstieg in den Kammern die Höhe des Drucks in der Aorta bzw. Lungenschlagader, dann werden die Taschenklappen aufgedrückt und das Blut in die Arterien gepreßt. Da während der Anspannung das Innenvolumen der Kammern nicht verändert wird, bezeichnet man die Herzkontraktion als eine isovolumetrische Kontraktion. Hierbei findet jedoch keine rein isometrische Kontraktion (s. Muskel) statt, da es während der Anspannungszeit zur Erweiterung einzelner Ventrikeldurchmesser kommt, die

306

Blutkreislauf und Kreislauforgane

durch Verkürzung anderer ausgeglichen wird. Nach Überschreiten des Blutdrucks in den großen Schlagadern steigt der Herzinnendruck zunächst noch weiter an und erreicht in der Regel einen systolischen Wert von 15 kPa (120 mm Hg) im linken Ventrikel, im rechten einen Druck von 3-3,5 kPa (20-25 mm Hg) und sinkt dann gegen Ende der Systole wieder ab. Die Menge des pro Herzschlag ausgeworfenen Blutvolumens eines Ventrikels ist das Schlagvolumen. Es beträgt bei einem erwachsenen, nicht besonders trainierten Mann in Ruhe rund 70 ml. Das Volumen, welches in jedem Ventrikel verbleibt, das endsystolische Volumen, beträgt 50 bis 60 ml. Es kann bei starken Kontraktionen auf 10 bis 30 ml vermindert werden. Die Anzahl der Herzschläge pro Minute (Herzfrequenz) liegt dabei um 70, so daß das Herzminutenvolumen ca. 5 l Blut beträgt (beim Neugeborenen schlägt das Herz ca. 150/min; beim wachsenden Kind nähert sich allmählich die Ruhefrequenz der des Erwachsenen). Abb. 5/11 zeigt die Beziehungen der einzelnen Phasen zueinander in verschiedenen Herzanteilen. Die Geschwindigkeit der Druck/Volumenänderungen während eines Herzzyklus erlaubt Rückschlüsse auf die Kontraktionseigenschaften des Herzmuskels. Bei der Systole werden während der Austreibung die geschlossenen Segelklappen spitzenwärts gezogen. Während dieser Zeit entspannt sich der Vorhof (Vorhofdiastole17). Da gleichzeitig durch den Unterdruck im Brustraum und wegen ihrer Befestigung an den Venen die Vorhöfe nicht mit nach unten gezogen werden können, wird der Innenraum der Vorhöfe während der Kammersystole vergrößert, so daß sie sich mit Blut aus den Venen füllen (Saugpumpe). Bei hohem Bluteinstrom in die Ventrikel während der Diastole kann deren enddiastolisches Füllungsvolumen im normalen Herzen 200 bis 300 ml erreichen. Durch Erhöhung der diastolischen Füllung und Verminderung des endsystolischen Volumens kann das Schlagvolumen mehr als verdoppelt werden. Nach Ende der

17 18

Diástole von diastolé (gr.) – das Erweitern. stéthos (gr.) – Brust; skopéin (gr.) – schauen, untersuchen; das Hörrohr ist erst Anfang des 19. Jahrhunderts aufgekommen als hölzernes Röhrchen. Wesentlich jünger sind die Schlauchstethoskope (Phonoendoskope).

Ventrikelkontraktion beginnt die Diastole der Ventrikel. Unterschreiten die Ventrikeldrucke die Drucke in der Aorta bzw. der Lungenarterie, dann schließt das in diesen Gefäßen befindliche Blut die Taschenklappen, wenn es in die Ventrikel zurückzuströmen versucht. Unterschreitet der Ventrikeldruck den Vorhofdruck, öffnen sich die bis dahin geschlossenen Segelklappen und die Füllungszeit der Ventrikel beginnt. Die Ventrikelfüllung wird dadurch begünstigt, daß die bei der Systole stark zusammengedrückten Muskelfasern der Ventrikel in der Diastole vermöge ihrer elastischen Rückstellkräfte die Ventrikel wieder ausweiten und dadurch Blut aus den Vorhöfen ansaugen. Herztöne. Hört man mit dem bloßen Ohr oder mit dem Stethoskop 18 an der Brust die Herztätigkeit ab, so sind bei jeder Aktion zwei Töne zu hören. Der erste, dumpfere, systolische Ton entsteht durch die Anspannung der Kammermuskulatur (Muskelton, s. S. 193) beim Zusammenschlagen der Segelklappen; der zweite, kurz darauffolgende, hellere, diastolische Ton entsteht durch Schwingungen beim Schluß der Taschenklappen (Klappenton). Abb. 5/11 zeigt den Zusammenhang zwischen den elektrischen, mechanischen und akustischen Aktionen bei der Herzkontraktion. Die in Abb. 5/11 in der unteren Reihe abgebildeten Schwingungen (Herztöne) sind mittels eines Piezoelektrischen Kristalls erhalten worden. Der in einem Schallaufnehmer untergebrachte Kristall wurde auf den Brustkorb gelegt, dessen mechanische Schwingungen er in elektrische Schwingungen umwandelte. Diese wurden mit einem Registriergerät als Phonocardiogramm aufgezeichnet. Es handelt sich bei den Herztönen nicht um echte Töne, sondern um Geräusche. Der Arzt bezeichnet aber als „Geräusche“ nur diejenigen akustischen Erscheinungen am Herzen, die bei einem Herzfehler zu hören sind, und unterscheidet davon die normalen Herzgeräusche als „Herztöne“. Bei einem unvollkommenen Öffnen oder Schließen einer der Klappen entstehen durch das Vorbei- und Zurückfließen des Blutes Nebengeräusche, aus deren Lage und Zeitpunkt während des Gesamtvorganges die Art des Herzfehlers erkannt werden kann.

5.1.4

Herzarbeit

Aufgabe des Herzens ist, den arbeitenden Organen ausreichend Blut zur Verfügung zu stellen. Hierzu muß es seine Förderleistung entspre-

Herz

chend dem Bedarf variieren. Bei erhöhtem Blutbedarf der Organe reagiert das Herz mit Erhöhung des Herzschlagvolumens und mit Steigerung der Herzfrequenz. Eine Erhöhung der Förderleistung resultiert auch, wenn nur eine der beiden Größen ansteigt und die andere gleich bleibt. Die individuellen, maximal erreichbaren Herzfrequenzen sind sehr variabel. Sie können beim jugendlichen Untrainierten unter maximaler Belastung bis ca. 250/min betragen; beim älteren Menschen sind sie in der Regel kleiner. Analoges Verhalten zeigt das Schlagvolumen, das bis über 100 ml ansteigen kann. Hochleistungssportler zeigen bei körperlichen Leistungen im Gegensatz zu Untrainierten etwas geringere Steigerungen der Herzfrequenz bei deutlicheren Vergrößerungen des Herzschlagvolumens. Auch ist bei Trainierten in Ruhe das endsystolische Restvolumen im Ventrikel größer als bei Untrainierten und bedeutet eine besonders große Schlagvolumenreserve für die Leistungssteigerung (vgl. Sportherz, S. 453). Um eine höhere Förderleistung zu vollbringen, muß zugleich das Blutangebot an das Herz ansteigen. Beim Gesunden sind Blutangebot und -auswurf richtig miteinander gekoppelt, so daß einerseits bei Erhöhung des Angebotes durch den venösen Rückstrom die Förderleistung steigt, und andererseits bei erhöhtem Bedarf im Gewebe das Blutangebot erhöht wird. Die Veränderung des Blutangebots erfolgt erstens durch Beschleunigung der Zirkulation des Blutes durch die verschiedenen Körperregionen und zweitens durch Entleerung von Blutspeichern (s. S. 370). Je nach körperlicher Arbeit und Trainingszustand (Sportherz) erreicht die Förderleistung des Herzens Werte bis 25 und 30 l/min (Herzminutenvolumen). Die Arbeit der Ventrikel setzt sich aus zwei Komponenten zusammen. Sie muß erstens das Volumen in den Ventrikeln auf einen solchen Druck bringen, daß dieser den Blutgefäßwiderstand im Kreislauf überwinden kann (Druck-Volumenarbeit); unter extremen Bedingungen werden Drucke bis zu 40 kPa (ca. 300 mm Hg) aufgebracht. Zweitens muß sie das Blut beschleunigen, damit es schnell durch die Gefäße fließt. Die Gesamtarbeit des Herzens ergibt sich, wenn man das Produkt von dem im Ausstrom aus dem Herzen in die Aorta gemessenen Druck und dem Fördervolumen zum Beschleunigungsanteil addiert:

A = P ·V +

m 2

v2

307

(A = Herzarbeit, P = Druck, V = Volumen, m = zu beschleunigende Masse, v = Strömungsgeschwindigkeit). Die Menge des Blutstroms durch das Herz wird mittels Injektion von Indikatoren (z. B. Farbstoffen oder im Blut verbleibenden radioaktiven Substanzen) in die Blutbahn gemessen; der Blutdruck im Herzen oder in der Aorta bzw. in der Lungenarterie kann mittels Herzkatheter mit angeschlossenem Manometer registriert werden.

Im rechten Ventrikel steigt der Druck bei weitem nicht so stark an, so daß die Herzarbeit des rechten Ventrikels im Vergleich zum linken Ventrikel erheblich geringer ist. Da der mittlere Blutdruck in der Aorta, gegen den das Volumen ausgeworfen werden muß, etwa 13 kPa (= ca. 100 mm Hg) beträgt, in der Lungenarterie jedoch nur 3,25 kPa (= ca. 25 mm Hg), wird klar, warum die Leistung des rechten Herzens entsprechend geringer ist als die des linken, und auch warum rechte und linke Herzkammer eine unterschiedliche Wanddicke haben (Abb. 5/8). Die beschriebenen Umstellungen der Herzarbeit lassen sich auch beim Herzen nachweisen, wenn es außerhalb des Körpers arbeitet, so daß offenbar im Herzen selbst verankerte Mechanismen die Förderleistung des Herzens steuern. Beim Skelettmuskel (s. S. 193) wurde gezeigt, daß die Beziehung zwischen Längen- und Spannungsänderungen während der Muskelarbeit häufig in Form einer Unterstützungskontraktion abläuft. Beim Herzen, bei dem die Beziehung zwischen Faserspannung und Faserlänge in Form eines Druck-Volumendiagramms aufgezeichnet wird (Arbeit = Druck · Volumen), stellt man ganz analog der Arbeit eines Skelettmuskels eine Unterstützungskontraktion als Grundform der mechanischen Herzmuskelaktion fest.

Die beiden Komponenten der Herzarbeit, Überwindung des Blutgefäßwiderstands (Druck-Volumen-Arbeit) und Beschleunigung, haben bei jugendlichen und alten Menschen unterschiedliche Bedeutung. Bei Jugendlichen mit elastischem Gefäßsystem macht die Beschleunigungsarbeit nur etwa 1 % der Gesamtarbeit des Herzens aus, sie kann aber bei starrem Gefäßsystem im Alter bis auf 50 % der Herzarbeit ansteigen. Das bedeutet, daß das Herz eines älteren Menschen bei gleicher Förderleistung erheblich größere Arbeit leisten muß, denn die elastischen Wandteile der dem Herzen nachgeschalteten Arterien können infolge der Gefäßwandstarre kaum Energie speichern (s. S. 326).

308 Blutkreislauf und Kreislauforgane Herzleistung und Leistungsgewicht. Wenn man eine Systole pro Sekunde annimmt, liegt die Herzleistung (Arbeit pro Zeit) in der Größenordnung von 1 Nm/s (= 1 W; das entspricht 1,3 · 10–3 PS). Im Vergleich mit Motoren interessiert hierbei das sog. Leistungsgewicht (Gewicht pro Leistung). Bei einem angenommenen Herzgewicht von 3 N beträgt sein Leistungsgewicht 3 N/W. Das ist wesentlich ungünstiger als man es bei Automotoren findet, bei denen 0,03-0,06 N/W üblich sind. Bei körperlicher Belastung kann die Herzleistung allerdings stark ansteigen, so daß man in die Nähe von technischen Pumpen kommt. Die Berechnung zeigt, daß künstliche Herzpumpen gebaut werden könnten, die weniger Masse hätten als das natürliche Herz.

5.1.4.1

Anpassung der Förderleistung an wechselnde Belastung

Das Herz hat die Fähigkeit, seine Förderleistung der Änderung des venösen Zustroms anzupassen. Das geschieht mittels eines FRANK-STARLINGMechanismus19 genannten Vorgangs, der verhindert, daß sich große Blutmengen im Venensystem vor dem Herzen anstauen, und der die Schlagvolumina der beiden Herzkammern einander angleicht. Wenn beim Einstrom einer großen Menge Blut in die Ventrikel während der Diastole die Herzmuskulatur stark gedehnt wird (Ruhe-Dehnungskurve), kontrahiert sich bei der Systole die Ventrikelmuskulatur mit größerer Kraft als bei nur geringem Bluteinstrom und geringer Dehnung und fördert demzufolge mehr Blut aus dem Herzen. Diese Fähigkeit ist wie bei den Skelettmuskeln letztlich auf die Veränderung des Überlappungsgrades der Actinfilamente mit den Myosinfilamenten zurückzuführen (s. Längen-Spannungsdiagramm beim Skelettmuskel). Für die Anpassung der Förderleistung an Anforderungen stehen eine Reihe von Mechanismen in Vorhöfen und Ventrikeln zur Verfügung:

19

20

21

22

F RANK , O., 1865-1944, deutscher Physiologe; STARLING, E. H., 1866-1927, englischer Physiologe. BAINBRIDGE, F. A., 1874-1921, englischer Physiologe. VON BEZOLD, A., 1836-1868, deutscher Physiologe; JARISCH, A. J., 1891-1965, österreichischer Physiologe LAPLACE, P. S.,1749-1827, frz. Mathematiker, untersuchte den Zusammenhang zwischen Wandspannung und Innendruck bei Kugeln und Zylindern

In den Wänden beider Vorhöfe gibt es Dehnungsrezeptoren: A-Rezeptoren, die durch Kontraktion der Vorhofmuskulatur aktiviert werden, entladen während der Vorhofkontraktion; bei Vorhofdehnung, während der späten Ventrikelsystole, werden B-Rezeptoren aktiviert. Afferenzen aus den Rezeptoren ziehen mit dem N. vagus zum Nucl. tractus solitarii und anderen Teilen des ZNS (s. S. 676). B-Rezeptorenerregung führt über diesen Weg zu Sympathicushemmung und Erregung des Parasympathicus, was sich besonders an der Nierendurchblutung äußert (Änderung der Flüssigkeitsausscheidung). Erregung von A-Rezeptoren erhöht dagegen die Sympathicusaktivität. Die Erhöhung der Herzfrequenz als Folge einer stark vermehrten Dehnung der Vorhöfe soll durch eine übermäßige Erregung von A-Rezeptoren hervorgerufen sein und über das sympathische Nervensystem reflektorisch Herzfrequenzsteigerungen hervorrufen. Dieser nicht konstant auftretende Effekt heißt BAINBRIDGEReflex20. Er ist von nachgeordneter physiologischer Bedeutung.

Der starken Abhängigkeit der Förderleistung vom wechselnden Angebot an Blut steht eine relative Unabhängigkeit der Förderleistung vom arteriellen Blutdruck gegenüber. Das hat zur Folge, daß bei Erhöhung des Blutangebotes der Ventrikel das Blut mit größerer Kraft auswerfen und damit auch einen höheren Blutdruck erzeugen bzw. gegen einen vergrößerten Gefäßwiderstand anarbeiten kann. Wenn die Kraftverstärkung bei erhöhter Füllung nicht aufträte, dann würde das Schlagvolumen nicht ansteigen können, falls nicht der nachgeschaltete Widerstand absinkt. Bei gleichbleibendem Widerstand müßte das Schlagvolumen sogar absinken. Auch in den Ventrikelwänden gibt es Dehnungsrezeptoren, die während der isovolumetrischen Kontraktion erregt werden und bei extremer Dehnung eine Verlangsamung der Herzfrequenz und eine Gefäßerweiterung auslösen, so daß der arterielle Blutdruck abfällt (BEZOLD-J ARISCH-Reflex21). Afferenzen aus diesen Sensoren erreichen das ZNS über den Vagus und über sympathische Nervenfasern.

Druck und Volumen in den Herzhöhlen Im Verlauf einer Systole nimmt entsprechend dem LAPLACE22-Gesetz die Spannung der einzelnen Herzmuskelfaser während der Austreibungsphase (Kleinerwerden des Ventrikeldurchmessers) ab, denn

Herz

Spannung = Kraft/Strukturelement. Zugleich gilt: Spannung = Kraft/Querschnitt Entsprechend diesem Gesetz resultiert eine Abnahme der Wandspannung, obgleich der Druck im Ventrikel bei der auxotonischen Kontraktion noch zunimmt, denn der Ventrikeldurchmesser wird geringer und der Querschnitt der Ventrikelwand größer. Die intrakardialen Regulationen können am Druck-Volumendiagramm abgelesen werden. Dieses Diagramm hat Ähnlichkeit mit dem Längen-Spannungsdiagramm des Skelettmuskels. Dort wurden als Charakteristika die Ruhe-Dehnungskurve, die isotonische und die isometrische Kontraktion sowie die Unterstützungskontraktion beschrieben. Letztere Kontraktionsform liegt der natürlichen Herztätigkeit zugrunde. Der Hohlmuskel Herz beginnt die Kontraktion mit einer isovolumetrischen Phase, d. h., bei gleichbleibendem Volumen steigt der Druck in den Ventrikeln, nachdem sich das Herz so umgeformt hat, daß seine innere Oberfläche bei gegebenem Volumen und vorgegebenen Strukturen ein Minimum wird. (Die Form, bei der ein maximales Volumen von einer minimalen Oberfläche umgeben ist, ist die Kugelform.) Durch Erhöhung des Füllungsdrucks (Vorhofkontraktion) wird die Ventrikelwand gedehnt. Damit verschiebt sich der Ausgangspunkt auf der RuheDehnungskurve (Abb. 5/12 III) nach rechts. Von jedem Punkt der Ruhe-Dehnungskurve ausgehend kann eine isovolumetrische oder eine isotonische Kontraktion ausgelöst werden. Unter normalen Bedingungen ist die Kontraktion nach Beendigung der Anspannungsphase nicht isotonisch, sondern der Ventrikeldruck steigt bei der Austreibung des Blutes noch etwas an. Die erreichbaren Maximalwerte der Kontraktion sind in der Abb. 5/12I II durch die Kurvenlinien der Maxima gekennzeichnet. Wie weiter oben ausgeführt ist, hängt die maximale Kontraktion von der Ausgangsdehnung (Füllung) ab. Bei steigender Füllung nehmen die Maxima zunächst zu und dann wieder ab. Dies ist durch die Änderung des Überlappungsgrades von Actin- und Myosinfilamenten bedingt. Die Änderungen von Volumen und Druck lassen bei bekannter Kurve der Unterstützungskontraktion eine Berechnung der Herzarbeit zu, denn Druck · Volumen = Arbeit [(N/m2) · m3 = Nm].

309

In Abb. 5/12 sind Herzarbeiten bei 2 Belastungsstufen im Arbeitsdiagramm (III) dargestellt. Bei erhöhtem Strömungswiderstand fällt der Blutdruck in der Aorta nicht auf den vorherigen niedrigen Wert ab, und der Ventrikel muß bei der folgenden Systole einen höheren Druck erzeugen, ehe die Austreibung beginnt. Das bewirkt zunächst eine Verkleinerung des Schlagvolumens mit erhöhtem endsystolischem Restvolumen. Bei gleichbleibendem venösen Zustrom kommt dadurch eine stärkere diastolische Füllung zustande und der Fußpunkt der isovolumetrischen Kontraktion auf der Ruhe-Dehnungskurve wird in Richtung stärkerer Dehnung verschoben. Dies führt jedoch nach dem Gesagten zu einer Verstärkung der Kontraktion, bei welcher das ursprüngliche Schlagvolumen wieder erreicht wird. Das Herz vermag also nach Anforderung bei gleichbleibendem Druck ein erhöhtes Schlagvolumen auszuwerfen, aber auch bei gleichbleibendem Schlagvolumen einen höheren Druck zu erzeugen oder eine Kombination beider Mechanismen zu vollziehen. Das Herzminutenvolumen kann durch Frequenzsteigerung, Schlagvolumenänderung oder durch eine Kombination beider Komponenten dem Bedarf angepaßt werden. Wenn bei erhöhtem Bedarf die Herzleistung ansteigt, so spricht man von erhöhter Kontraktilität. Sie ist demnach das Verhältnis von Druckänderung (dP) in einer bestimmten Zeitperiode (dt). Neben der Bestimmung von dP/dt wird für die Abschätzung der Kontraktilität im Experiment die Messung der maximalen Verkürzungsgeschwindigkeit verwendet. Der Wirkungsgrad (Definition s. S. 446) des Herzmuskels beträgt bis 30 %. Er ist abhängig von der Art der Herzarbeit. Druckarbeit infolge einer Erhöhung des peripheren Widerstands (s. S. 328) hat einen geringeren Wirkungsgrad als Volumenarbeit bei Erhöhung des venösen Zustroms. Herztraining erhöht den Wirkungsgrad.

310 Blutkreislauf und Kreislauforgane

Abb. 5/12: Ventrikeldruck (I), Ventrikelvolumen (II) und Arbeitsdiagramm des Herzens bei Anstieg des Gefäßwiderstandes und des Blutdrucks (III). I. Ablauf des Ventrikeldrucks bei der Herzaktion; darunter EKG. A: Beginn des Druckanstiegs; B: Öffnung der Aortenklappe (diastolischer Druck); C: Verschluß der Aortenklappe; D: Öffnung der Mitralklappe und Beginn der Wiederauffüllung des Ventrikels. II. Änderung des Blutvolumens im Ventrikel bei der Herzaktion (schwarz); daneben EKG (rot). Die Buchstaben A bis D bezeichnen die gleichen Phasen der Herzaktion wie im darüberstehenden Teil III der Abbildung. Die Kurve des Blutvolumens ist so angeordnet, daß der im darüberstehenden Bild III eingezeichnete Abszissenmaßstab gilt und die Volumenänderungen den Druckänderungen des Arbeitsdiagramms im Zeitablauf zugeordnet werden können. Das Kurvenstück A bis B entspricht der Anspannungsphase, während der Zeit B bis C läuft die Austreibungsphase ab; C bis D bezeichnet die isovolumetrische Spannung, daran schließt sich die Phase der Wiederauffüllung der Ventrikel an (D bis [A]).

Herz

5.1.5

5.1.5.1

Erregungsleitungssystem, Erregung und Kontraktion des Herzmuskels Erregungsleitungssystem

Im Vergleich zum Skelettmuskel bestehen bei der Erregung des Herzens, ihrer Ausbreitung und der Kontraktion des Herzmuskels eine Reihe von Besonderheiten. Wenn das Herz aus dem Körper herausgenommen wird und dem Myocard genügend sauerstoff- und nährstoffreiches Blut durch die Kranzarterien zugeführt wird, so vermag das isolierte Herz viele Stunden lang außerhalb des Körpers spontan zu schlagen, d. h. sich zu kontrahieren, ohne daß eine Nervenversorgung notwendig ist. Diese Kontraktionen erfolgen in rhythmischer Reihenfolge. Das Herz besitzt demnach ein automa23

24

VON P URKINJE, J. E., 1787-1869, tschechischer Prof. der Physiologie in Breslau und Prag (Betonung auf der 1. Silbe); s. auch PURKINJ Ezelle im Kleinhirn. Nodus sinuatriális, weil er im Grenzbereich zwischen Sinus- und Atriumteil des Vorhofs gelegen ist.

311

tisch arbeitendes System, das Erregungen bildet und diese innerhalb des Herzmuskels weiterleitet. Dieses System des Herzens (Abb. 5/13) besteht nicht etwa aus Nervengewebe, sondern aus spezifischen Herzmuskelfasern, den PURKINJE schen Fasern23 , die fibrillenarm und plasmareich, daher besser leitfähig sind (Abb. 5/7). Sie sind beim menschlichen Herzen im mikroskopischen Bild nur schwer von der übrigen Muskulatur, der Arbeitsmuskulatur, zu unterscheiden und deshalb erst spät gefunden worden. Der Ablauf einer Herzmuskelerregung erfolgt in ganz bestimmter Reihenfolge: zuerst werden die Vorhöfe, dann die Kammern erregt. Normalerweise entsteht die Erregung in einem knotenförmigen, ca. 1 cm langem, 3 mm dicken Gebilde im Dach des rechten Vorhofs vor der Einmündung der oberen Hohlvene (Abb. 5/13), dem Sinusknoten24 , von dem aus sich die Erregung über die Vorhofmuskulatur von oben nach unten und zum linken Vorhof ausbreitet. Sie erreicht über wenige Vorhofmuskelfaserbündel mit einer Leitungsgeschwindigkeit von 0,4 bis 0,6 m/s und dünne, langsamer leitenden Fasern nach etwa 40-60 ms einen zweiten Knoten nahe

III. Zwei Arbeitsdiagramme des linken Ventrikels bei verschiedener Arbeitsbelastung. Von jedem Punkt der Ruhedehnungskurve ausgehend können sowohl isovolumetrische (in der Abbildung senkrecht nach oben gerichtete) als auch isotonische Kontraktionen ausgelöst werden. Bei letzteren werden die Volumenswerte abszissenparallel (nach links verschoben) kleiner (A → a und A’ → a’). Eine derartige Kontraktion ist möglich, wenn das Blut frei aus dem Herzen strömt, z. B. bei durchgeschnittener Aorta. Die Verbindungslinien der jeweils erreichten Maximalwerte von Druck bzw. Volumen sind die isovolumetrischen bzw. isotonischen Maxima. Die Kurven der isovolumetrischen Maxima wurde bei diesem Experiment bei einem endlichen (minimalen) Volumen (Restvolumen) begonnen. Die Ruhedehnungskurve wurde nicht so weit nach oben verstärkt, daß abnorm starke, natürlicherweise nicht mehr vorkommende Dehnungen des Ventrikels entstanden. Die normale Kontraktion des Herzens besteht aus einer isovolumetrischen Anspannung und einer auxotonischen Austreibungsphase. Die größte Drucksteigerung mit der dabei erfolgenden größten Volumenverminderung liegt bei gleicher Ausgangslage (Fußpunkt auf der Ruhedehnungskurve) auf einer Linie, die als Unterstützungskurve bezeichnet wird. Bei Änderung der Ventrikeldehnung, z. B. durch erhöhte Füllung, verschiebt sich der Ausgangspunkt A auf der Ruhedehnungskurve in Richtung auf A’. Verschiedene Ausgangslagen haben verschiedene Unterstützungskurven, und die maximal mögliche Druckentwicklung bei Verhinderung des Ausstroms aus dem Herzen (isometrische Maxima) ist verschieden hoch. Bei nicht blockiertem Ausstrom des Bluts in die Aorta und die Pulmonalarterie öffnet sich die Aortenklappe bei B (normale Arbeitsbelastung) oder B’ (erhöhte Arbeitsbelastung). Wegen der verschiedenen Unterstützungskurven erfolgt das Wiederverschließen der Aortenklappe (C bzw. C’) bei unterschiedlichem Restvolumen, welches im Diagramm bei D bzw. D’ abgelesen werden kann. Die Punkte A, B, C, D bzw. A’, B’, C’, D’ verbinden verschiedene Phasen der Herzaktion (vgl. Teil I und Teil II der Erläuterungen). Die von den Punkten begrenzten Flächen sind ein Maß der systolischen Druck-Volumenarbeit. Zur Bestimmung der Gesamtarbeit des Ventrikels muß noch die Fläche unterhalb der Ruhedehnungskurve von deren Start auf der Abszisse bis E bzw. E’ zur Druck-Volumenarbeit addiert werden. Im vorliegenden Fall wird das diastolische Füllungsvolumen vergrößert (A → A’). Bei nur geringer Erhöhung des diastolischen Blutdrucks (B → B’) steigt entsprechend dem im Text beschriebenen Mechanismus das Schlagvolumen an (A’ → D’ ist größer als A → D). Die Herzarbeit steigt. Infolgedessen ist die Fläche A’, B’, C’, D’ größer als die Fläche A, B, C, D.

312 Blutkreislauf und Kreislauforgane

Abb. 5/13: Erregungsleitungssystem des Herzens, dargestellt am eröffneten Organ. Schema. a – Schrittmacher = Sinuatrialknoten (Sinusknoten), b – Atrioventrikularknoten, c – HIS-Bündel, d – rechter und linker Schenkel, e – PURKINJ E-Fasern.

der Vorhofscheidewand am Boden des rechten Vorhofs, den Vorhofknoten25 (Atrioventrikularknoten = AV-Knoten). In diesem Knoten ist die Leitungsgeschwindigkeit beträchtlich langsamer als in den übrigen Herzmuskelfasern, so daß hier eine Verzögerung der Erregungsleitung auftritt. Wenn die Vorhöfe vollständig erregt sind, verschwinden für kurze Zeit in den EKG-Ableitungen die Potentialunterschiede, da sich dann alle Vorhoffasern in der Plateauphase des Aktionspotentials befinden und die nach verschiedenen Seiten gerichteten Potentialvektoren gerade keine Vorzugsrichtung der Erregungsausbreitung aufweisen. Im EKG (s. S. 315 und Abb. 5/14) ist dann keine Erhebung über die Null-Linie zu sehen. Erst wenn die Erregung auf die Ventrikelmuskulatur übergegriffen hat, erkennt man im 25

Nodus atrioventriculáris, weil von ihm die Erregungsüberleitung vom Vorhof in die Ventrikel geht.

EKG wieder Veränderungen. Vom Atrioventrikularknoten erreicht die Erregung über ein Erregungsfaserbündel durch das Herzskelett hindurch (Abb. 5/13) die rechte Kammer, wo es sich in zwei Schenkel teilt. Der eine Schenkel bleibt in der rechten Kammer, der andere zieht durch die Scheidewand in die linke Kammer. Beide Schenkel splittern sich auf und erreichen die Muskulatur der Kammern mitsamt den Papillarmuskeln. Diese werden relativ früher erregt, so daß sie die Segelklappen in den Blutstrom hineinstellen können, um bei der folgenden Ventrikelkontraktion ein ungehindertes Schließen der Klappen zu ermöglichen. Die Erregungsausbreitung erreicht die Herzspitze, wobei Einzelerregungen von innen nach außen ablaufen. Sie endet in den Kammern mit der Erregung eines Saums an der Basis des linken Ventrikels. Während der Ausbreitung über die Herzkammern klingt die Vorhoferregung wieder ab. Im Zustand der vollständigen Erregung der Ventrikel verschwindet hierdurch für kurze Zeit die sonst auftretende Potentialdifferenz an verschiedenen Herzteilen (dies entspricht der isoelektrischen ST-Strecke im EKG). Die Erregungsrückbildung in den Ventrikeln folgt von der Herzspitze zur Herzbasis hin. Das ist der Grund dafür, daß sich im EKG die Repolarisation (T-Welle) nicht in entgegengesetzter Richtung bewegt wie die Erregungsausbreitung (R-Zacke). Eine gewisse Verzögerung der Erregungsüberleitung vom Vorhof auf die Kammer hat zur Folge, daß sich die Kammern erst nach der Kontraktion der Vorhöfe zusammenziehen können. Diejenige Stelle im Herzmuskel, die nach Ablauf einer Erregung am schnellsten wieder fähig ist, spontan eine neue Erregung zu bilden, wird zum Schrittmacher des Herzens. Der normale Schrittmacher ist der Sinusknoten. Die Eigenart der Fortleitung der elektrischen Erregungen im Herzen bedingt, daß nach einer überschwelligen Erregung eines Orts im Herzmuskel die Erregung stets das gesamte Herz erfaßt und zu einer Kontraktion aller Teile führt. Ein zweiter, während der Erregung gesetzter Reiz wird vom Herzen nicht mit einer Kontraktion beantwortet. Das Herz gehorcht als Ganzes der Alles-oder-Nichts-Regel (s. S. 156). Bei Zerstörung des Sinusknotens ist noch ein spontanes Auftreten von Erregungen im Herzen möglich, es sind also mehrere Stellen des Herzmuskels zur Automatie fähig. Meist bildet in einem solchen Fall der Atrioventrikularknoten spontane Erregungen, jedoch in langsamerer Folge als der Sinusknoten vor seiner Zerstörung. Es kann sogar vorkommen,

Herz

313

Abb. 5/14: Elektrische Erscheinungen am Herzen. Links sind Aktionspotentiale in verschiedenen Herzregionen aufgetragen. Die zeitlichen Versetzungen entsprechen dem Eintreffen der Erregungen in der betreffenden Region während der Erregungsausbreitung. Die Spontandepolarisation (SD) ist an der langsam ansteigenden Depolarisation zu erkennen. Mit P ist die charakteristische Plateauphase während der Depolarisation bezeichnet. Eine solche ist beim Aktionspotential von Skelettmuskelatur oder Nervenzellen (s. Abb. 2/33, S. 155) nicht zu sehen. – Rechts sind die entsprechenden Potentialdifferenzen aufgezeichnet, die bei der Herzaktion auf der Körperoberfläche zwischen rechtem Arm und linkem Bein abgeleitet wurden. Es handelt sich um das Bild eines normalen Ex-

tremitäten-EKG bei Ruhefrequenz. Die einzelnen Zakken sind nach internationaler Übereinkunft mit Buchstaben bezeichnet. Bei den dargestellten Zeitwerten handelt es sich um Mittelwerte. Alle Zeitwerte sind stark von der Herzfrequenz abhängig. Die eigenartige Form des EKG’s ist dadurch erklärbar, daß nicht das Aktionspotential einer einzelnen Myokardfaser, sondern das Summenpotential der Erregung der Herzmuskelmasse auf die Verbindungslinien zwischen zwei Ableitpunkten (z. B. zwischen beiden Armen oder zwischen einem Arm und einem Bein) projiziert ist. Die mit P bezeichnete Zacke ist die Folge der Vorhoferregung. Der QRS-Komplex ist Ausdruck der Ventrikelerregung, und der darauffolgende Teil ist die Erregungsrückbildung (bis T-Ende).

daß andere Stellen des Herzmuskels spontane Erregungen bilden und diese die Strukturen des Atrioventrikularknotens und des Sinusknotens rückläufig erreichen. Allerdings ist eine funktionell geordnete Herztätigkeit dabei nicht möglich. Bei Schädigung der Herzmuskulatur können Störungen der Reizfolge auftreten (sog. Extrasystolen), die dadurch erkennbar werden, daß die einzelnen Systolen nicht in richtiger Reihenfolge nacheinander ablaufen, sondern daß ein außerhalb des Sinusknotens oder im Sinusknoten befindlicher Schrittmacher vorzeitig depolarisiert und zu einem Aktionspotential führt. Subjektiv wird das als Herzstolpern empfunden.

Ähnlich wie in der Skelettmuskulatur ist im Innern der Herzmuskelzellen die Natriumkonzentration geringer als außen. Das Ruhemembranpotential der einzelnen Herzmuskelfasern des Menschen beträgt etwa –80 mV. Die Erregungen an den Membranen sind im wesentlichen durch Verschiebungen von Kalium-, Natrium- und Calciumionen bedingt. Die Depolarisierung erfolgt schnell und überschießend wie im Skelettmuskel und Nerv (s. S. 155). Die Repolarisation verläuft jedoch erheblich langsamer und dauert 200 ms oder mehr (s. EKG Abb. 5/14). Wie bei der Skelettmuskelfaser werden auch im Erregungsleitungssystem der Ventrikel und im Arbeitsmyocard in der schnellen Phase der Depolarisation Na+-Kanäle aktiviert. Infolgedessen strömt Natrium in die Zellen. Die Inaktivierung dieser Kanäle erfolgt schnell, außer in den Membranen der PURKIN JE fasern. Das führt zum im

5.1.5.2

Erregung

Zum Verständnis der Vorgänge bei der spontanen Bildung von Erregungen und des Erregungsablaufs im Herzmuskel ist es nötig, die Unterschiede der elektrischen Grundphänomene im Vergleich zur Skelettmuskulatur zu kennen.

314 Blutkreislauf und Kreislauforgane

linken Teil der Abb. 5/14 erkennbaren steilen Anstieg des Aktionspotentials im Ventrikelmyocard. Die Depolarisation aktiviert einen Kaliumkanaltyp, der einen schnell wieder abklingenden Kaliumausstrom verursacht (transient outward = TO-Kanal). In Abb. 5/14 (li.) ist die kurze Repolarisationsphase unmittelbar nach Erreichen der Aktionspotentialspitze z. T. auf die Aktivität dieses Kanals zurückzuführen. Der weitere Ablauf der Depolarisation und die Rückbildung der Erregung (Repolarisation) ist anders als im Skelettmuskel: Im Erregungsleitungsystem, aber auch in der Arbeitsmuskulatur des Herzens ist die Repolarisationsphase beträchtlich verzögert, denn in der Depolarisationsphase kommt es in den verschiedenen Anteilen des Myocards zu einer unterschiedlich lang anhaltenden Plateaubildung des Membranpotentials. Die